中国当年是怎么研制航空合金材料的zt

中国从1958 年开始研究第一个等轴晶高温合金。是年,在苏联专家格兹吉扬和我国著名铸造专家荣科的指导下,北京航空材料研究院由中国高温合金专家张祖谦等人负责,研制成功了镍基等轴晶高温合金,牌号K401。用于涡喷- 6发动机的涡轮导向叶片,这是国产铸造高温合金第一次用于涡轮导向叶片。

1960年代初期,中科院金属研究所研制了我国第一种用于涡轮工作叶片的等轴晶高温合金k417。这个合金来的正是时候。1964年,当时航空部门正在研制歼8战斗机,歼8的配套发动机的性能指标大幅度改善,涡轮前温度要比GH4049变形高温合金(复习《第二篇》)的实心叶片提高100℃,因此涡轮工作叶片要具有空心气冷的功能。别小看这100℃,高温合金很多时候能提高50℃工作温度就是代差了。可是复杂型腔的涡轮叶片,还是中国航空人第一次遇到,采用锻造工艺是肯定做不出来了,只能走铸造高温合金的路子。

然而,空心叶片与合金的技术,只有美国有比较成熟的生产能力。苏联在这方面尚不成熟,而且1960年,苏联撕毁协议,中断航空材料的供应,铸造合金工艺作为绝密更不会给我们。歼8发动机设计的涡轮叶片,在近100毫米长的叶身中,均匀地排列粗细不等的9个气冷通道小孔,最细的直径仅0.8毫米,而在侧面进气口处还要有一个弯角。即便是当时的美国,其主要生产的气冷叶片的叶长也比我们要短,而且是从叶片宽厚的底部而不是薄壁的叶身进气的(复习第一篇叶片附图)。因此在工艺上,要比我们这种空心叶片的气冷设计方式简单的多。

当时,甚至连英国的航空巨头罗罗公司,都坚持认为,铸造合金由于铸造过程本身的特点,易于形成晶粒组织粗大不均匀,偏析严重、缩孔、夹杂和疏松等工艺缺陷,影响合金质量进而影响叶片成品合格率。罗罗由于对铸造复杂型腔的空心涡轮叶片缺乏信心,而对此踌躇观望。师昌绪先生1963年参观罗罗公司时,英国同行一再强调铸造高温合金涡轮空心叶片不可靠。新中国白手起家,而且根据歼8的项目计划节点,动力配套的空心涡轮叶片必须在一年内解决——真想一步登天吗?

1964年10月,为了解决歼8飞机的动力问题,原国防部航空研究院在沈阳飞机设计所召开技术会议,就因为这个问题陷入了僵局。沈阳航空发动机设计所的同志对北京航空材料研究所提出,“如果你们能够在一年内研制出空心涡轮叶片,我们就敢于承担涡喷7的改型任务!”

时任北京航空材料研究所副所长兼总工程师荣科先生,曾在国内最早提出以铸造高温合金代替变形高温合金制造涡轮叶片。他当即拍案而起,面对众人立下军令状:“如果不能在一年之内研制出空心涡轮叶片和新的铸造高温合金,甘愿把自己的脑袋挂在二所(沈阳航空发动机设计所)的大门上示众!”

全场一片寂静,随之,掌声四起。

时任北京航空材料研究所高温合金研究组负责人、中国高温合金大师师昌绪,和冶金专家胡壮麒一起挂帅,负责新合金的具体研发任务(师、胡二位后来都是中国工程院院士)。当时根本没见过这种多孔空心叶片,制造工艺更是一片空白。荣科先生立即制定方案,并组成数十人的专题组(称AB-1组),将中科院金属所、410 厂及六院二所组织在一起进行专项技术攻关,仅中科院金属所就组织了上百名科技人员参与会战,合力研制精密铸造多孔气冷涡轮叶片,叶片的母合金正是K417。

研制过程中,遇到的技术问题数不胜数。就说铸造工艺需要制作的型芯,就是关键技术之一。如上面介绍,我们的叶型长薄,导致型芯制作材料的选择非常困难。研发团队查阅了很多资料也未解决。然而“有心栽花花不开,无心插柳柳成行”。他们偶然从一份美国杂志上刊登的一幅出售细石英管的广告中得到启示,决定采用石英管做型芯材料,随后型芯制造取得了突破性进展。此外,研发团队在型芯定位、造型、浇注、脱芯、壁厚测量以及断芯的无损检测方法上均作了细致的研究。

1965年,真的仅仅用了1年时间,中国第一代铸造气冷空心叶片就在中科院金属所的实验室里诞生了。这种7.8g/cm3的低密度高强度镍基高温合金K417制作的9小孔空心涡轮工作叶片,可以在850-950℃长期工作。经过风洞试验与发动机厂试车,证实了铸造合金空心叶片比GH4049变形合金实心叶片的表面温度降低了100℃以上,初步满足了设计要求。K417于1966年9月开始试用于涡喷7甲发动机的一级涡轮工作叶片。

但是,试验成功并不代表应用成功。在随后进行的试生产和试用中,出现了叶片伸根段断裂和9个气冷孔的边缘出现裂纹的质量问题(复习《第一篇》的叶片断裂和裂纹失效),不仅严重影响成品合格率,也对装备和飞行员安全构成了威胁。这从一个侧面证明,英国人在铸造合金涡轮叶片上的犹疑态度,并非完全没有道理。但是,面对质量问题的中国人,没有退路。又是荣科指导、师昌绪领衔,逐一解决了铸造合金真空熔炼生产工艺中的质量问题,终于让K417成功批量投产。中国新一代歼8战斗机带着新发涡喷-7甲,上天了。

1975年4月,国家把空心叶片的生产转移到三线的贵州基地,三机部将空心叶片的大生产定点于贵州新艺机械厂,就是黎阳发动机公司的前身,要求中科院金属所与沈阳发动机厂组成攻关小组。三机部还是点将师昌绪带队出征。当年的贵州,交通不便,生活条件艰苦,师昌绪全然不顾,日夜坚守在车间里,分析技术难点、制订操作规程与建立检验标准。以一代大师的科学态度和表率作用,带领大家仅仅几个月就突破了生产的技术难关。开始了空心涡轮叶片的大批量生产——贵州基地生产的空心涡轮叶片,其铸造毛坯合格率达到60%-70%,成品合格率甚至超过已投产多年的实心变形合金叶片,广泛用于涡喷-7系列(歼-7系列)和涡喷-13系列(歼8系列)系列的发动机I级涡轮工作叶片。

就这样,中国也就成为继美国之后,在世界上第二个工程化应用铸造空心涡轮叶片的国家。K417合金的水平,在当时与美国相比——只差5年。而英国罗罗公司的航空发动机当时只使用了锻造的空心叶片,而铸造空心涡轮叶片是后来又经历了3年才研制成功的。

1980年代初,中西蜜月期间,英国罗罗公司的总设计师胡克教授来华访问,特地参观了中国研制的铸造空心涡轮叶片,并为此不胜感慨:“单凭见到这一实际成就,就不虚此行。”

1985年,“多孔气冷铸造一级涡轮叶片的研制与推广”获1985年国家科技进步奖一等奖。

1990年代,中国大量主力歼击机发动机的空心涡轮工作叶片,依然在采用荣科和师昌绪当年独创发展起来的K417合金空心涡轮叶片。40多年来生产35万多片,装备了3500多台航空发动机,在所有外场飞行过程中未发生过重大质量事故。

更重要的是,荣科和师昌绪在开发K417合金的过程中的工艺研发工作,奠定了中国高温合金熔模精铸技术的基础。这些工艺技术,广泛用于此后的各型实心叶片、空心叶片和复杂冷却系统的定向凝固空心叶片制造(后面工艺篇谈)。

1990-2000年代,在K417合金基础上通过适当降钴和钛含量改进而来的K417G型等轴晶合金,比K417具有更好的长期铸造稳定性,可以在950℃长期工作。采用K417G研制成功的三联弯扭复杂型腔无余量空心叶片,成功应用于某中推涡扇发动机的I级和II级导向叶片,用于某型战机动力。大师们当年培育的中K417这棵幼苗,已经成为中国高温合金森林中的参天大树。

下面就重点牌号分别做一个简介:

1、 DZ404合金

工作温度在1000-1050℃,具有较高的高温强度、良好的铸造性能和较低的密度。DZ404是我国第一个进入工程化阶段,即用于现役航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片的定向凝固高温合金。比如:涡喷-13B发动机()I级涡轮导整体定向凝固向叶片和I、II级带冠的锯齿冠定向凝固精铸涡轮工作叶片(复习《第一篇》)、涡喷-13F(歼-7E)/F1发动机(歼-7III)II级涡轮工作叶片、涡喷-14发动机(歼-8H/F/G/R)低压涡轮工作叶片。

由于黎阳公司研制涡喷13B系列发动机始于1991年,DZ404定向凝固合金在1992年获得国家发明三等奖。我们大致可以推断,中国定向凝固柱晶合金在涡轮工作叶片的工程化应用,开始于1980年代末-1990年代初,比美国要晚20年左右。DZ404的另一个特点是合金配方中,居然不含铪,是中国无铪低成本高性能合金的优秀代表作品。兵器迷刚才说的例外,就是这个意思。

2、 DZ422合金

是中国对照PWA1422合金制造的牌号,含1-1.5%铪,用来减少柱晶晶界开裂,提高横向塑性,因而具有良好的铸造性。工作温度在1000-1050℃。与美国PWA1422的广泛应用类似,DZ422则是中国定向凝固柱晶高温合金中应用较多的一个品牌,用于涡喷-14发动机(歼-8H/F/G/R)和涡浆-6A(运-8)的高压涡轮工作叶片和涡喷-13B的涡轮导向叶片。DZ422突出的一点,就是非常适合薄壁复杂型腔的空心冷却叶片。

3、 DZ422B合金

工作温度在950℃以下,用于涡轴-8(直-9)和涡浆-9(运-12)的高压涡轮工作叶片

既然DZ422/B相当于美国定向凝固柱晶合金名牌PWA1422/K,那么中国有没有超越美国PWA1422K的产品呢?

有。这就是——

4、 DZ4125合金

北京航空材料研究院研制,以普通铸造高温合金美国Rene125的成分(Ni-8.9Gr-10Co7W-2Mo-2.5 Ti-4.75Al-3.8Ta-1.5Hf-0.0015B-0.05Zr)为基础研制,比PWA1422K的力学性能要更好。可以长期工作温度在1000-1050℃。

5、 DZ4125L合金

不含铪,工作温度在在1000℃以下,用于某中推涡扇动力的高压和低压涡轮工作叶片。

DZ4125/DZ4125L还可以用于某涡轴发动机(直20?)的I、II级涡轮工作叶片

6、 DZ417G合金

不含铪,工作温度在950℃以下,用于某中推涡扇动力的低压I/II级涡轮工作叶片

7、 DZ640M合金

钴基合金。工作温度在1050℃以下,用于某中推涡扇动力的高压涡轮导向叶片

已经有朋友有疑问了,为什么与国际上的同类合金不一样,中国的有些定型凝固高温合金不含铪呢?

铪(Hf)是稀缺金属,全世界一年的产量也就300吨左右,与单晶合金加入的稀缺金属铼Re类似,独属于物以稀为贵的那种。而中国长期缺铪,又要发展定向凝固柱晶合金并克服热裂问题——咋整?

在又一个“不可能完成的任务”面前,我国科研人员通过各种经过艰苦努力,特别是在生产涡轮叶片的工艺过程中,采用上面DZ4125简述中独特的低偏析技术,有效解决了热裂问题,才终于研制成功了不含铪或低铪的合金系列牌号,比如DZ404,DZ417G,DZ4125,DZ4125L,等等。从上面的型号介绍可以发现,这些无铪合金,用于涡喷-13到三代机各型发动机的涡轮叶片,还都是工程应用的主力牌号,相对价格低廉,返回料又便于回收,因此取得了非常好的技术经济效果。

第一代国产单晶高温合金:

DD403

就是中国的PWA1480,由北京航材院研制。采用相计算原理和正交设计法结合实验验证研发。合金密度较低、成分较简单。在1980年代中美蜜月期间,美国普惠公司材料实验室曾对航材院生产的该合金叶片取样进行化学分析表明: 合金具有较高的纯净度,质量可靠。工作温度在1040℃以下,用于涡轴-9(武直-10)发动机的高压涡轮工作叶片。是中国第一个用于航空发动机的单晶高温合金,于1997年获得国家发明二等奖。

DD402

中国的CMSX-2,由北京航材院研制。工作温度在1050℃以下,用于涡轴-8A(直-9)发动机的高压I级涡轮叶片。

DD408

由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室研制,是专用的抗腐蚀(比如盐雾)单晶合金,所以用于某舰载机发动机(中国有几款舰载机呢,兵器迷脑子不好使,要仔细数一数……)

DD26与DD26C,中国科学院,资料不详

第二代国产单晶高温合金:

DD406

中国的PWA1484+版,加入了铪(Hf),提高了合金的强度和涂层工艺性,改善了铸造工艺性能,使元素偏析程度略有降低。使用温度在1070℃以下。在1100℃,100小时下持久强度达到148MPa,用于某型高推发动机的高压涡轮导向叶片。某型……咳咳,你懂得。

如果说,DD402是基于PWA1480的仿制,也许有些人又会说我们有抄袭之嫌,那么,DD406的设计,绝对是逆袭PWA1484的超越之作。这是因为,北京航材院在研制DD406的过程中,深入研究了铼(Re)在单晶合金中的强化机理和替代铼这两方面的问题。建立了铼原子团结构模型和热处理后铼原子界面分布模型。证实了铼含量升高后,γ’相趋于更细小,立方化和分布均匀性增加,这显然有利于提高合金的高温强度。另外,铼在合金基体中的原子团分布,提高了γ相的稳定性和与γ‘相的交换,反过来又稳定了γ‘相,延缓了蠕变过程,提高了合金的高温持久性。

别吐,别吐啊。不拽了。

总之吧,DD406的拉伸性能、持久性能、蠕变性能、疲劳性能、抗氧化性能及耐腐蚀性能达到或部分超过PWA1484的水平。最赞的一点是,作为中国第一款含铼单晶合金,其铼含量2%,比PWA1484的3%减少了1/3,成本显著降低。

咋样,DD406是不是正怼PWA1484?

在2016年珠海航展上,DD406被隆重推出介绍,高压低压涡轮的工作和导向叶片产品都有,不但工艺过关了,而且是应用最广泛的国产二代单晶合金。可惜的是工程化进程太长,不但没赶上涡扇10这班车,反倒是某型舰载机的中推改进型来得早不如来得巧……咳咳,咳咳。不说了,看图。

DD405

中国科学院金属研究所研制。2017年中国科技网报道,中国科学院金属研究所研究员周亦胄带领团队艰苦研发,形成了一套单晶叶片规模化制造的全流程控制技术,其中一项标志性成果,就是采用我国新型的第二代单晶高温合金DD405(查不到这个牌号?),成功铸造出了某新型航空发动机中的高压涡轮转子单晶叶片(即涡轮工作叶片),该叶片在发动机试车考核中表现优越,标志着我国在复杂结构单晶叶片制造技术上取得了重要进展。性能不详。

DD498/DD499

北京航空材料研究院1990年代后期研发的无铼单晶高温合金,其高温力学性能基本达到了第二代单晶高温合金PWA1484的水平。工程应用不详。

DD13:

网载:中国科学院金属研究所研制,提供了一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金DD-13,该合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量为:Cr:10.0-15.0%,Co:8.0-12.0%,Mo:0.5-3.0%,W:3.0-6.0%,Ta:4.0-7.0%,Al:3.0-5.0%,Ti:3.0-5.0%,C:0-0.4%,其余为Ni,6.5≤Al+Ti≤9,Al/Ti≤1。该合金不仅具有优良的抗热腐蚀性能,还具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性。既可以适用于地面与舰用燃气轮机高温部件,又可以适用于航天、航空发动机高温部件。

M09A单晶合金

中国科学院金属研究所研制提供 一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A。其化学成分为(重量百分比):Cr11.0-15.0%,Co8.0-9.0%,Mo1.8-2.2%,W3.5-4.4%,Ta5.0-6.0%,Al4.0-5.4%,Ti2.5-3.5%,B0.004-0.007%,C0.01-0.03%,余量为Ni。该合金材料高温持久性能好,抗热腐蚀性能优异,组织稳定, 980℃/235MPa持久条件下的性能最好,持久寿命达159.35h。应用不详。

第三代国产单晶高温合金

DD409

由北京航材院先进高温结构材料重点实验室研制,用于某高推核心机的高压涡轮导向叶片和高压涡轮盘——这是目前官媒公开报道中第一个工程化应用的国产第三代单晶高温合金。

与第二代DD406单晶合金相比,DD409合金在20℃与760℃的屈服强度与其大致相当。但980℃以上高温条件下,DD9 合金的屈服强度明显高于其它二代单晶高温合金,1100℃以上高温条件下,DD9 合金的屈服强度具有显著优势。

JG4006(老品牌IC6/IC6E)

1990年代北京航材院研制,是国家863 高科技发展项目资助下研究成功的Ni3Al 基金属间化合物铸造合金。成分简单:Ni3Al相的含量为80%,添加少量硼微合金化提高延性,加入元素钼强化γ’相,提高1100℃以上的蠕变强度。密度低,7.9g/cm³。熔点高、热导率高、高温强度较高:1100℃、100小时的持久强度为100MPa,比美国同类产品EX-7的69MPa相比,高了将近50%。从工艺性上讲,IC6的室温伸长率达到8%,铸造和室温加工性能较好, 而且价格较低。

JG4006合金使用温度在1100℃以下。第一次工程化应用,是在涡喷-13B(歼-8)的II级导向叶片上。此前,涡喷-13系列发动机的II级无冷却导向叶片采用K403等轴晶铸造高温合金(复习《第三篇》),经常出现超温过热过烧故障。而涡喷-13B又要将涡轮前温度提高30-50℃。因此,设计部门决心用JG4006(IC6)合金精铸叶片替代了K403合金叶片。

首批制造了2000多件IC4006叶片,生产过程汇总未出现任何材料质量问题,并装配了50多台发动机均在外场服役飞行。到2005年,有10台发动机(380片导向叶片)完成了300小时飞行并返厂检修。检测时发现,叶片无一产生裂纹,只有5%左右的叶片涂层有极少量剥落,属于正常使用现象,可以进行涂层修复继续使用。至此替换工作获得成功。随后大批量投产,成为是我国自行研制的第一个用于航空发动机热端部件的金属间化物合金。官方评价是:“IC6是国际上率先用于航空发动机的铸造Ni3Al 基金属间化物合金, 它的成功标志着我国在该领域的研究已取得重大突破”。

JG4006的第二次工程化应用,是在中推涡扇动力的改进型上。原因是某中推完善动力原装的钴基合金高压涡轮导向叶片,在使用中出现裂纹和叶身变形等故障。在研发某中推涡扇动力的某改型时,设计部门希望用1150℃以上仍保持高强度的IC6替代钴基合金叶片。为此,试制了5组某中推涡扇动力高压涡轮导向叶片并装机,到2005年积累了407小时的试车经验。IC6叶片无一产生变形和裂纹,而其他合金的叶片大部分产生了较严重的叶片变形和裂纹。因此开始了工程化应用,同时开展了其作为低压涡轮导向叶片的研制工作。

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