法国N19新型粉末高温合金的研发动态及进展

张林嘉

（海装广州局驻贵阳地区军事代表室，贵州 贵阳 550014）

一直以来，为航空飞行系统提供动力的燃气涡轮发动机性能的提高主要应归功于涡轮盘和叶片新材料技术的发展。粉末冶金（PM）路线制备的大型压气机和涡轮盘使高温部件寿命显著增加。这项技术最初由美国开发，大多镍基高温合金都是为某型发动机专门设计的。法国拥有独立自主的高温合金研发路线，主要是由斯奈克玛公司（Snecma）主导推动，并成功将新材料应用于飓风战斗机的M88发动机中[1]。法国粉末高温合金的研发具有自己独特的思路和方式，例如N18、NR3、N16等盘合金的成功设计和应用标志着法国在国际高温新材料的研发中具有一席之地。目前，N19合金是法国最新的粉末高温合金，本文将综述该合金的设计、工艺、显微组织与性能，为国内粉末高温合金设计与开发人员提供借鉴。

1 N19合金的开发背景与设计思路

1.1 合金成分设计和筛选

法国对粉末高温合金的开发可追溯到20世纪70年代末，主要由法国国家航空航天研究中心（Office National d’ Etudes et de Recherches Aérospatiales，简称Onera）进行研制[2]。在20世纪80年代早期，法国飞机发动机制造商Snecma（现在的Safran Snecma）启动了军用发动机M88的研发项目，为Dassault公司的飓风战斗机提供动力。为了满足M88发动机对涡轮盘的严格要求，Snecma希望使用一种新的粉末高温合金来保证盘件可靠性。因此，Snecma、国立巴黎高等矿业学院（MINES ParisTech）和Onera等合作开展了合金开发计划。该计划研发出粉末高温合金N18，后来该合金也成功应用于M88发动机中高压压气机和高压涡轮盘。

从20世纪80年代末开始，法国武器装备总署（DGA）国防采购提出了工作温度高于700℃（最高为750℃）的新型粉末高温合金需求。为此，Snecma、Onera和MINES ParisTech开展了一项合作项目，即开发一种新的粉末高温合金，要求如下[3]：合金能够通过固溶处理获得需要的晶粒尺寸；在750℃的长期热暴露下显微组织稳定性良好，没有TCP相析出；与N18合金相比，在700℃的温度下具有更高的蠕变和疲劳抗性；合金密度低于8.35g/cm3。

为了满足上述要求，新型高温合金的γ'相含量应为40%～50%，与N18合金相比降低了9%～27%。由于γ'相含量降低，需要进一步强化γ基体和γ'相强度。通过Cr、Mo和W元素间的配比调控，优化γ基体和γ'相的化学成分。为增加γ基体的固溶强化作用，适当降了Mo并添加W。通过适量提高Cr的含量来增强高温抗氧化和耐腐蚀性，避免TCP相在目标温度析出。其中重点平衡了Co的含量，原因是当Co含量增加时，γ'相固溶温度通常会降低。为了强化γ'相，（Ti+Nb+Ta）/Al的比值（at.%）增至1左右（N18合金为0.57）。部分设计合金与N18成分的对比见表1[3]。

表1 由Onera开发的盘合金名义成分

通过综合考虑所有合金的力学性能、显微组织稳定性和耐蚀性等，在10种合金中选择2种最优合金，即14#合金（SMO48合金），该合金具有高抗拉伸和抗蠕变性能和良好的相稳定性；22#合金（SMO43合金），该合金抗拉性能高。与14#合金相比，22#合金抗蠕变性能适中，但该合金γ'相含量较低，γ'相固溶温度也较低。最终，SMO43合金申请了专利[4]，并命名为N19合金。

1.2 锻坯试制

N19合金的粉末采用氩气雾化方法制备，粉末根据N18粉末高温合金的标准工业流程进行试制，包括筛分（≤53μm（270目）），包套装粉和1150℃热等静压（HIP）。等静压后进行热挤压变形，挤压棒尺寸为φ70mm×700mm。N19的挤压条件是根据Astroloy和N18上的经验确定的，挤压温度远低于γ′固溶温度（1070℃）。坯料热挤压（HEX）后，进行等温锻造（ITF），所得饼坯直径为φ200mm。挤压棒坯和等温锻后的饼坯如图1所示[3]。

图1 N19合金热机械加工样件

2 N19粉末高温合金的显微组织

2.1 热变形后N19合金的显微组织

经过HIP+HEX+ITF后的N19合金的变形显微组织如图2所示[3，5-6]。γ基体晶粒组织均匀，平均晶粒尺寸约为3µm。一次γ′相粗大且与基体晶粒尺寸接近，尺寸为0.2μm～3μm，面积分数为25.3%。最大尺寸一次γ′相约为1μm～3µm，主要在晶界位置；0.2～0.8μm的γ′相主要分布在晶内；晶内更细小的γ′相（30nm～100nm）可通过透射电镜暗场成像观察到（如图2（d）所示）。因此，该合金热变形后具有γ+γ′相双相组织特征。

图2 经过HIP+HEX+ITF后的N19合金变形显微组织特征

2.2 热处理对N19合金显微组织的影响

DUMONT[5]对N19锻件热处理做了大量工作，通过扫描电子显微镜观察法统计了大尺寸一次γ'相的含量随固溶温度的变化情况。不同固溶温度下N19合金大尺寸一次γ'相回溶量的变化如图3所示[5]。从图4可以明显看出，当温度越接近γ'相固溶温度（1150℃）时，晶界处一次γ'相含量越少，晶粒尺寸越大。

图3 不同固溶温度下N19合金的显微组织

图4 不同热处理工艺方法对N19合金γ'相形貌和尺寸的影响

晶内的二次γ'相和三次γ'相对固溶温度和冷速较敏感，DUMONT针对N19合金设计了5种过固溶处理工艺（如图4所示）[5]，主要根据γ'相的溶解温度和冷却速度给出了不同工艺下晶内γ'相的形貌和尺寸。试验证实可以通过固溶处理的温度和冷速调控N19合金中二次和三次γ'相的尺寸和分布。

3 N19粉末高温合金的力学性能

N19合金与法国上一代N18与美国第二代粉末高温合金Rene88DT室温和高温拉伸强度的对比见表2[3]。可以看出，在3个合金中，N19合金的室温和高温强度最优异。屈服和抗拉强度提升的原因是N19合金在N18合金的基础上添加了1at.%的Nb元素和1at.%的W元素（见表1）。Nb元素主要进入γ'相内Al点位，能提高γ'相的反向畴界能，因此能进一步强化γ'相。而W元素既能进入γ基体，起到固溶强化的作用，又可以进入γ'相，起到同时强化γ基体和γ'相的作用。

表2 旋转电极制备的粉末高温合金拉伸性能对比

Rene88DT、N18和N19粉末高温合金蠕变性能对比见表3。从表3中的蠕变结果可以看出，与Rene88DT和N18相比，N19合金在650℃～700℃下具有良好的抗蠕变性能。在650℃条件下，达到相同的蠕变应变0.2%时，N19比N18合金的蠕变强度提高了约275MPa。在700℃/700MPa条件下，N19合金0.2%应变的蠕变时间比N18合金延长了约46%。N18和N19合金的抗蠕变性能均远优于Rene88DT合金。

表3 Rene88DT、N18和N19粉末高温合金蠕变性能对比

4 结语

法国新型粉末高温合金N19是法国自主研发的最新合金，其合金成分设计思路与欧美系合金（如Rene95、Rene88DT、Rene104和RR1000）和俄系合金（EP741NP）具有根本区别。作为法国航空发动机涡轮盘的备选材料，N19合金表现出稳定的显微组织和优异的力学性能。然而，N19合金化程度复杂，国内、外对其报道较少，很多性能（耐氧化腐蚀性能、长时热稳定性和蠕变性能等）还没有详尽的数据，合金的变形机理尚不明确。一方面，该合金的开发思路可以为粉末高温合金开发、设计和研究人员提供参考，另一方面可以深入研究该合金变形机理，必要时可通过成分改性进行二次开发，为我国粉末高温合金的发展奠定基础。