航空发动机用高温合金及其制备技术

毕中南

航空发动机是现代工业皇冠上的明珠，可以衡量一个国家的综合技术实力。在燃气涡轮式航空发动机中，高温合金用量通常占到发动机总重量的40%以上，因而高温合金被誉为“现代航空发动机的基石”。决定发动机整机性能、可靠性和安全性的关键热端部件，如涡轮盘、叶片、燃烧室等均主要采用高温合金制造。

高温合金是以金属镍、铁、钴元素为基，能在600℃以上的高温下承受一定应力长期工作，并具有优异抗氧化、抗腐蚀能力的一类先进结构材料。高温合金多具有较高的合金化程度，虽然性能优异但制备难度较大，欧美也称其为超级合金。如剑桥大学材料学家R.W.Cahn教授所述：“高温合金结合并利用了现代物理冶金学和冶金工艺的所有资源，显示了人类为实现极富挑战性的目标而做出的卓越成就。”

按照主要工艺路线，高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金三大类。本文针对这三类高温合金材料，连同共性技术、新材料与新工艺，分别介绍航空发动机用高温合金及其制备技术的发展趋势。

变形高温合金：急需解决“脏白斑”问题

变形高温合金是指通过特种冶炼技术制备成铸锭，然后通过锻造、轧制、挤压等方式加工变形成材的一类高温合金材料。产品类型包括板、管、丝、带、盘环锻件等。变形高温合金在整个高温合金的产量中占比70%以上，产品种类也相对最多，在航空发动机里可用于制造盘轴、机匣、燃烧室、紧固件等多种零件。现阶段，我国变形高温合金需要面对的挑战主要包括：冶炼质量提升，大规格与特型材料的制备，以及高代次合金的开发。

当前国内变形高温合金的主流冶炼工艺仍是真空感应+真空自耗重熔或真空感应+电渣重熔的双联冶炼。“十三五”期间，国内优势单位组成联合攻关团队，在冶金质量要求最高的盘轴类锻件生产中成功突破了真空感应+电渣重熔+真空自耗重熔三联冶炼工艺技术。三联冶炼工艺生产的GH4169合金已基本实现与国际先进水平对标，“十四五”期间有望作为盘轴锻件的主选冶炼工艺全面推广和应用。

采用三联冶炼技术，可以有效降低高温合金中的杂质元素和夹杂物含量。如三联冶炼的GH4169合金重氧含量、硫含量均可以控制在5ppm以下，夹杂物的变化也可有效改善合金的疲劳性能。得益于三联冶炼工艺的电极致密化，真空自耗过程中出现宏观冶金缺陷的概率可有效降低，但“白斑”问题，尤其是富集氧化物和碳/氮化物的“脏白斑”控制仍是现阶段国内在批产中急需解决的问题。

国际上也是如此，如2016年美国某航班由于Inconel718合金涡轮盘中的“白斑”缺陷导致盘件爆裂引起发动机故障，险些造成严重人员伤亡。解决“脏白斑”问题的一个新思路是大幅降低氮元素的含量，从而减轻其危害。目前，国际上最高水平可以把氮含量控制在2ppm左右。

除了改进冶炼工艺外，通过热加工工艺优化提升变形高温合金产品的组织均匀性也是提高其冶金质量的重要方向。“十三五”期间，我国突破了反复镦拔+径锻的联合开坯工艺，显著提升了高温合金锻制棒材的组织均匀性及成材率。

航空发动机用变形高温合金面临的另一个挑战是大型化。以大涵道比商用航空发动机为例，低压涡轮机匣锻件直径达1.8米左右。这对高温合金大规格铸锭冶炼、大尺寸棒材开坯，以及最终成品的锻造与轧制成型都提出了更高的要求。近年通过国家技改和企业自筹，我国的大型设备硬件条件已达到国际先进水平，如30吨冶炼炉、8万吨锻压机等，但仍需在技术能力上有所突破。

除大型化外，还需要加强研制特种规格的变形高温合金产品，如1.2m甚至1.5m宽幅的高温合金板材需要关键设备，宽幅带箔材、丝材、毛细管等在表面质量、批次稳定性控制等方面与国际先进水平仍存在差距。

获得更高的承温能力对各类高温合金材料来说都是永久的话题。变形高温合金也是如此，需要特殊关注的是如何兼具更高的承温能力和优异的加工工艺性能。除了单纯提高强化相分数外，还需要发现并利用一些新的强化理念，来综合提升合金的高温服役性能并尽可能不造成工艺性能恶化。

粉末高温合金：夹杂物的控制仍是难题

粉末高温合金是指采用粉末冶金工艺制备的高温合金，其用途与部分时效强化变形高温合金类似，主要用于航空发动机中的盘轴类锻件，通常情况下服役条件较变形高温合金更为苛刻。

虽然我国的粉末高温合金盘轴锻件已在航空发动机上得到批量应用，但批产中的无损探伤水平与国际先进技术仍有差距。夹杂物的控制问题也是目前面临的挑战之一。相关单位在夹杂物产生的源头上进行了系统研究，开发出更纯净的母合金制备技术和制粉技术。

对粉末高温合金中夹杂物的遗传特性及其量化影响，我们还需要开展更为系统的基础研究工作。此外，提高粉末收得率、棒材挤压成材率是降低批产粉末高温合金成本的重要方向。

新一代航空发动机对粉末高温合金产品的结构及制备技术提出了更多元的要求，主要包括双辐板涡轮盘、双组织双性能盘、双合金整体叶盘等。这需要综合考虑锻件不同区域组织性能的设计以及与其相匹配的成型工艺等。这些新技术的突破及应用也是“十四五”期间需要重点关注的。

与变形高温合金类似，粉末高温合金也面临着高代次合金的设计问题。目前，具备800℃或者更高的承温能力水平，兼顾材料强度和损伤容限两方面的需求，是高代次粉末高温合金设计的重点方向。

铸造高温合金：需提高母合金的纯净度

铸造高温合金是指通过熔模铸造等工艺直接凝固成型的高温合金产品，多用于制造航空发动机中的机匣、叶片等结构复杂的零件。

对于鑄造高温合金，一个共性基础问题是母合金的纯净化。尽管国内对于高温合金母合金中杂质元素的控制水平不断提高，但是对于为什么要控制到这样的水平、不同类型合金纯净化控制要求是否一致等问题，依旧缺少量化依据。如果控制不足，会导致铸件性能下降;如果控制过严，则会带来工艺复杂、成本增加的问题。因此，对于铸造高温合金的纯净化控制需要做到知其所以然。

对于大型复杂薄壁结构件，“十三五”期间国内取得了诸多突破，但有三方面的共性技术问题需要重点关注。一是专用模壳和陶芯材料的设计与制造，重点解决强度与透气性矛盾;二是提升全流程的仿真预测精度，如在蜡模、型壳、浇铸和热处理各关键工序实现尺寸的计算预测;三是建立铸件冶金缺陷的判据，在此基础上实现自动化、智能化浇铸是高温合金铸造结构件未来重要的发展方向。

对于铸造叶片，尤其是单晶叶片而言，技术发展方向主要体现在四个方面：一是与大型铸件类似，需要在尺寸精度控制上不断提升，特别是双层壁结构，对陶瓷型芯稳定性要求很高。

二是杂晶、再结晶等问题仍是目前影响单晶叶片合格率的主要因素之一，特别是对于高代次复杂结构的单晶叶片尤为重要。

三是更加细化的组织控制要求，如除了第一取向外，第二取向应该如何控制、工艺上如何实现，也需要关注。

最后，对于制备工艺，需要实现多联导向叶片的稳定制备，提升液态金属冷却等工艺的技术成熟度等。

单晶高温合金也面临着高代次合金设计的挑战。为了获得更强的承温能力，各厂商在单晶高温合金中加入了更多的贵金属元素，导致材料成本不断上升，所以如何在实现高性能的同时降低成本是单晶高温合金重要的发展方向之一。

此外，除了原材料中稀贵金属元素的添加会导致成本提高，工艺成本及成材率也是决定叶片成本的重要因素。因此在开展高代次合金设计时，需要综合考虑合金元素成本与制备工艺难度。

共性技术的发展方向

我国的高温合金现已基本解决“有无”问题，未来5～10年的重点发展方向之一是如何在批量生产中降低成本。返回料的利用无疑是降低成本的关键手段。根据变形、铸造、粉末等不同类型返回料的特点，需要匹配不同的处理方式。

当然，除了开发返回料利用工艺，后续在合金设计过程中综合考量材料的工艺适用性，也是降低成本的重要方向。

在降低成本以外，实现高精度尺寸控制也是航空发动机用高温合金共性技术发展的重要方向。将毛坯件残余应力控制与先进冷加工技术相结合，可以有效简化零件加工工艺流程，提高加工尺寸精度，降低材料的应用成本。

对于涡轮盘、叶片等航空发动机关键热端部件，还需要考虑其全寿命周期的应用问题。如根据材料本征疲劳特性、损伤概率等实现部件定寿准则的工程化应用，继而考虑采用何种方式进行延寿处理，都是航空发动机用高温合金未来发展的重要方向。

在未来先进航空发动机更高推重比/功重比的需求牵引下，需要从材料和结构等多角度实现减重与增效。一方面，需要重点关注金属间化合物高温材料、高温复合材料的连接、涂层等应用技术，建立其部件寿命评价体系等，从材料角度实现减重效果。

另一方面，要充分发掘增材制造在结构减重方面的潜能。这需要依据增材制造工艺特性优化设计专用的高性能高温合金，并加强增材制造构件的应用研究。

此外，研发难熔高熵合金等更高承温能力的超高温金属结构材料，用温度换效率也是未来的发展方向之一。

笔者认为，当前我国航空发动机用高温合金材料主要需要解决两方面的问题：一是我国高温合金材料虽然已经实现了从无到有，但工业化生产时多存在“有材不好用”的情况，这需要在共性技术方面开展系统研究，实现“底层突破”。

二是面对新一代飞机研制时“无材可仿”的问题，需要加强基础研究以促进创新。

總之，高温合金领域的各厂商通过“产、学、研、用”相结合、协同攻关，方能在不断开发新材料、新技术的同时，提升现有材料、现有技术的成熟度，进而大力发展我国高温合金技术，形成具有国际竞争力的高温合金产业。