渦輪盤在極為苛刻的條件下工作，飛行時承受著啟動-停車循環(huán)中的機械應力和溫差引起的熱應力的迭加作用，因而要求材料具有足夠的力學性能和理化性能，特別是在使用溫度范圍內(nèi)要有盡可能高的低周循環(huán)疲勞和熱疲勞性能，這是確定渦輪盤工作壽命的關(guān)鍵因素。渦輪盤是發(fā)動機重要的熱端部件之一。
在粉末盤之前，盤件用的γˊ相沉淀強化型合金由于強化元素不斷地增多，嚴重的偏析使熱加工性能惡化，低周疲勞性能降低，裂紋容易擴展，且投料比達19：1以上。投料比高和鍛造工藝復雜，使其成本大為提高。60年代末期，隨著高純預合金粉末制造技術(shù)的興起，美國 P&W公司首先將當時的盤件合金ASTROLOY制成了粉末盤。粉末盤的出現(xiàn)，解決了渦輪盤合金高合金化造成的凝固偏析和變形困難，提高了力學性能，而且性能波動小。在目前的渦輪盤制造技術(shù)中，粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤最成熟可靠的方法，粉末盤已廣泛用于美俄等國多種先進發(fā)動機的研制和生產(chǎn)中。
粉末（鎳基）高溫合金晶粒細小，組織均勻，無宏觀偏析，合金化成度高，屈服強度高，疲勞性能好，是制造高推比新型發(fā)動機渦輪盤等部件的最佳材料。目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國和俄羅斯工藝各異，都居于世界領(lǐng)先地位。
2 國、內(nèi)外研究發(fā)展狀況
2．1 國內(nèi)、外發(fā)展應用狀況
俄羅斯粉末高溫合金的研究始于是60年代末，1978年粉末高溫合金渦輪盤正式在軍用發(fā)動機上使用，至今已有20多年。俄羅斯的粉末高溫合金發(fā)展始于軍用航空領(lǐng)域，并逐漸擴展到民用航空領(lǐng)域，在80年代末研制出ПС-90A民用航空發(fā)動機盤件。到1993年已累計生產(chǎn)各類粉末高溫合金盤件25000個，短壽命設(shè)計要求的部件單件工作時間達1500h，長壽命要求的部件單件工作時間達10000h，總的工作時間超過了不得1百萬h，到1995年已裝機使用盤,軸類件總數(shù)超過了40000件?，F(xiàn)在，全俄年產(chǎn)高溫合金粉末7000t，可年產(chǎn)粉末渦輪盤40000件。俄羅斯已研制的6個牌號的粉末高溫合金依次為ЭП741П；ЭП741HП；ЭП741HПу；ЭП962П；ЭП975П；ЭП962нП ；其中ЭП741HП合金用量最大，用途最廣，使1550MPa以上 ，750℃，100h的持久應力達750Mpa。俄羅斯粉末渦輪盤的主導制造工藝路用溫度達700℃，ЭП962П為高強合金，與美國Rene95類似，ЭП975П的使用溫度可達750℃，而ЭП962нП合金是正處于研制階段的新型粉末高溫合金，室溫抗拉強度可達線為：母合金熔煉及電極棒澆注加工→ 等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉→ 粉末處理→ 粉末裝套及封焊→ 熱等靜壓成形→ 熱處理→ 機加工→ 檢驗→ 成品。
而美國則在1971年由P&W公司將鑄造合金In-100制成合金粉末，經(jīng)擠壓加塑性等溫鍛工藝制成渦輪盤，壓氣機轉(zhuǎn)子等19個零件，總重450Kg，裝在F100-PW-100發(fā)動機上，僅盤件就使每臺發(fā)動機減輕58.5Kg，成本降低15%。
70年代以來，美國GE公司已在F101,F110,F404,T-700,CF6和CFM-56等軍民用多種發(fā)動機上采用HIP，HIP+熱模鍛，HIP+HIF（等溫鍛）和EX（擠壓）+HIF的Rene95粉末盤，軸等高溫部件。除Rene95外，GE公司還發(fā)展了高蠕變性能的AF115粉末合金，與高拉伸強度的Rene95相配合，為制造雙性能盤提供了有利條件.在制造工藝方面，歐美國家采用的則是氬氣霧化的制粉工藝，以擠壓和等溫鍛為主的成形工藝，而俄羅斯在近幾年也已建立了大氣和真空條件下的等溫鍛裝置，開展了粉末高溫合金等溫鍛和超塑性鍛造的研究。
我國粉末盤的研制從八十年代初開始，重點仿制了Rene95合金，進行了母合金熔煉，氬氣霧化制粉，粉末處理，熱等靜壓成形，等溫鍛，熱處理，超聲檢驗及表面強化等研究。九十年代處從俄引進大型的用于工業(yè)化生產(chǎn)的等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備及盤件生產(chǎn)線，進行了包套模鍛10A盤的試驗研制。發(fā)現(xiàn)存在一些問題，因此目前我國傾向于采用HIP+等溫鍛（或熱模鍛）工藝路線。
2．2 國外粉末盤研究新進展
粉末盤材料在八十年代以前主要追求高強度，近年來，隨著設(shè)計結(jié)構(gòu)完整性大綱的貫徹，出現(xiàn)了適應損傷容限設(shè)計的第二代粉末盤材料。這類材料的特點是裂紋擴展速率比傳統(tǒng)粉末盤合金明顯降低，缺口擴展速率對環(huán)境的變化不敏感，這樣盤件的檢修周期可以大大延長，明顯降低了運行費用，提高了飛機作戰(zhàn)的利用率。
（1）盤件合金實現(xiàn)了由高強型向耐損傷型的轉(zhuǎn)變
盤件合金實現(xiàn)了由高強型向耐損傷型的轉(zhuǎn)變，陸續(xù)推出了Rene88DT(GE),N18(SNECMA)及DTPIN10(PW)等，這些合金于傳統(tǒng)合金相比，其強度稍有降低，但疲勞裂紋擴展速率da/dn下降較多，工藝性能得到改善，設(shè)計的使用溫度比較高，達到750℃或更高。750℃損傷容餡型粉末盤在歐美廣泛用于新型先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機，也是我國推比10發(fā)動機必需的渦輪盤關(guān)鍵材料。
八十年代以前的盤件材料主要是鑄鍛材料改型形成的，主要牌號有ASTROLOY,IN100，Rene95，MERL76及ЭП741等。為了適應粉末工藝特點，改型后的合金的碳含量比原鑄鍛牌號的低。這些合金的合金化程度都較高，γˊ的含量大都在50%以上，是到目前為止強度最高的渦輪盤合金。特別是Rene95，550℃的拉伸屈服強度達1120Mpa以上，但這類合金裂紋擴展速率都比較快，特別在高應力狀態(tài)有保持時間時，裂紋擴展速率成數(shù)量級增加，不能適應損傷容限設(shè)計的思想。因此提出了發(fā)展適應損傷容限設(shè)計要求的粉末盤合金的研制計劃。下表是這些合金與傳統(tǒng)合金的對比。
（2）制粉工藝向超純凈細粉方向發(fā)展
氬氣霧化和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化是粉末盤最主要的制粉工藝。前者是目前在歐美廣泛采用的方法，后者在俄羅斯應用較多。兩者各有優(yōu)缺點，氬氣霧化粉末冷速高，晶粒非常細（——3μm），但粉末純凈度稍差，因此成型以熱等靜壓直接成型為主。目前制粉方法向無陶瓷細粉方向發(fā)展，氬氣霧化采用了不少新技術(shù)，細粉收得率和陶瓷夾雜含量明顯減少。無陶瓷熔煉技術(shù)如等離子體冷壁坩堝熔煉，細粉制造技術(shù)如快速凝固旋轉(zhuǎn)氣體霧化和超聲氣體霧化等得到發(fā)展，使用的粉末的粒度有進一步減小的趨勢（從-150目減至-200目）。為適應鍛造需要，使用的旋轉(zhuǎn)電極粉粒度也開始下降。
（3）熱等靜壓和擠壓成型技術(shù)都得到了發(fā)展
熱等靜壓和熱擠壓是粉末成型的關(guān)鍵技術(shù)。熱擠壓可以得到細晶組織，適合用超塑性鍛造（GATORIZING）鍛成盤件，材料的性能波動比其它方法小，但設(shè)備要求高，成本高。熱等靜壓適應性好，可以直接成型盤件，也可制預坯再等溫鍛成盤件。直接熱等靜壓成型盤件時盤件成本低得多，但要求粉末質(zhì)量好，目前只是在俄國用得比較多。
（4）雙性能及復合成型整體葉盤研制并應用
利用熱等靜壓復合技術(shù)、熱機械處理、熱處理等研制盤芯高強度、高低周疲勞性能，盤緣持久蠕變性能好的雙性能盤，可以擴展盤件的使用溫度范圍，雙性能盤已在F119等發(fā)動機上應用。葉片和粉末盤熱等靜壓復合的整體件也已投入使用，大幅度提高了渦輪轉(zhuǎn)速。
（5）等溫鍛是盤件制造的重要技術(shù)
等溫鍛可以穩(wěn)定粉末盤的性能，是粉末盤生產(chǎn)的重要手段。在歐美國家得到廣泛應用，俄羅斯也在積極研究該項技術(shù)。
（6）應用研究強調(diào)盤件的可靠性
根據(jù)疲勞裂紋萌生理論提出的盤件夾雜的尺寸容限應小于50μm，超聲檢測精度也應達到50μm左右。然而由于各種條件限制，實際盤件研制和檢測均未能達到這一目標。因此控制夾雜尺寸主要靠控制粉末粒度，使用比較細的粉末實現(xiàn)。表面噴丸強化等技術(shù)也在粉末盤上廣泛使用。
（7）計算機技術(shù)得到廣泛應用
計算機技術(shù)用于粉末盤研制的全過程，包括合金成分設(shè)計、熱等靜壓包套設(shè)計、等溫鍛過程的計算機模擬、預坯設(shè)計和模具設(shè)計，熱處理中預測組織、性能分布，確定熱處理制度等。該技術(shù)歐、美、俄都已應用。
從目前的研究進展看，發(fā)展使用溫度更高、裂紋擴展速率低、強度高、工藝性能好的渦輪盤合金及制造成本低的制造技術(shù)將是未來十年國際上的發(fā)展方向。
2．3技術(shù)發(fā)展途徑
鎳基高溫合金渦輪盤材料從單純追求強度和損傷容限性能的平衡發(fā)展，是和對發(fā)動機設(shè)計使用的認識深化密不可分的。為了適應這一變化，國際上對渦輪盤合金的裂紋擴展特性進行了大量的研究，包括晶粒組織、合金成分、熱機械處理、以及負荷條件等的變化對裂紋擴展性能的影響。特別是研制過程中大量應用計算機技術(shù)，保證了研制的順利進行。研究發(fā)現(xiàn)，高負荷條件下等延時對鎳基渦輪盤材料的缺口擴展速率影響極大，擴展速率在不同溫度下可以增加幾十倍，同時這種變化與無保持載荷下的擴展規(guī)律之間無明顯的關(guān)系。
（1） 合金成分變化
因此研究表明，高Nb的含量對降低裂紋擴展速率很不利，高的Cr和Co對降低裂紋擴展速率有利，新合金設(shè)計中注意控制這些元素的添加量，以獲得需要的性能。
（2） 晶粒尺寸的控制及熱機械處理
粗晶材料的裂紋擴展速率比較低，某些熱機械處理組織如彎曲晶界等也可能產(chǎn)生有利的影響，因此目前的低裂紋擴展速率材料在合金成分上與過去不同， 熱處理溫度也比較接近γˊ固溶線或在γˊ固溶線上，鍛造過程也加以嚴格控制，防止組織異常。同時還根據(jù)每一零件的工作特點調(diào)整的處理工藝，以充分發(fā)揮材料潛力。
（3） 制造工藝變化
為了適應高溫高應力的要求，制造技術(shù)上還發(fā)展了雙性能工藝，以保證渦輪盤盤芯高強度及低周疲勞性能、盤緣高持久蠕變性能的要求。
3．結(jié)論
粉末盤用新型材料的研制不僅可以推動渦輪盤材料的發(fā)展，解決高推比發(fā)動機的選材問題，直接為提高國防能力服務，其派生技術(shù)如材料研制的軟件技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)、等靜壓成型技術(shù)和等溫鍛技術(shù)還可以在渦輪盤和其它鎳基合金材料、抗裂紋擴展材料及新型高技術(shù)材料的研制中應用，產(chǎn)生長期的效益，推動航空及航天材料及制造技術(shù)的發(fā)展，對國民經(jīng)濟起帶動作用。
（轉(zhuǎn)載）
