渦輪盤(pán)在極為苛刻的條件下工作，飛行時(shí)承受著啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)中的機(jī)械應(yīng)力和溫差引起的熱應(yīng)力的迭加作用，因而要求材料具有足夠的力學(xué)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(pán)工作壽命的關(guān)鍵因素。渦輪盤(pán)是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的熱端部件之一。
在粉末盤(pán)之前，盤(pán)件用的γˊ相沉淀強(qiáng)化型合金由于強(qiáng)化元素不斷地增多，嚴(yán)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(kuò)展，且投料比達(dá)19：1以上。投料比高和鍛造工藝復(fù)雜，使其成本大為提高。60年代末期，隨著高純預(yù)合金粉末制造技術(shù)的興起，美國(guó) P&W公司首先將當(dāng)時(shí)的盤(pán)件合金ASTROLOY制成了粉末盤(pán)。粉末盤(pán)的出現(xiàn)，解決了渦輪盤(pán)合金高合金化造成的凝固偏析和變形困難，提高了力學(xué)性能，而且性能波動(dòng)小。在目前的渦輪盤(pán)制造技術(shù)中，粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤(pán)最成熟可靠的方法，粉末盤(pán)已廣泛用于美俄等國(guó)多種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)中。
粉末（鎳基）高溫合金晶粒細(xì)小，組織均勻，無(wú)宏觀(guān)偏析，合金化成度高，屈服強(qiáng)度高，疲勞性能好，是制造高推比新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等部件的最佳材料。目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國(guó)和俄羅斯工藝各異，都居于世界領(lǐng)先地位。
2 國(guó)、內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r
2．1 國(guó)內(nèi)、外發(fā)展應(yīng)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(pán)正式在軍用發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(dòng)機(jī)盤(pán)件。到1993年已累計(jì)生產(chǎn)各類(lèi)粉末高溫合金盤(pán)件25000個(gè)，短壽命設(shè)計(jì)要求的部件單件工作時(shí)間達(dá)1500h，長(zhǎng)壽命要求的部件單件工作時(shí)間達(dá)10000h，總的工作時(shí)間超過(guò)了不得1百萬(wàn)h，到1995年已裝機(jī)使用盤(pán),軸類(lèi)件總數(shù)超過(guò)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(pán)40000件。俄羅斯已研制的6個(gè)牌號(hào)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(yīng)力達(dá)750Mpa。俄羅斯粉末渦輪盤(pán)的主導(dǎo)制造工藝路用溫度達(dá)700℃，ЭП962П為高強(qiáng)合金，與美國(guó)Rene95類(lèi)似，ЭП975П的使用溫度可達(dá)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(qiáng)度可達(dá)線(xiàn)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(jī)加工→ 檢驗(yàn)→ 成品。
而美國(guó)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(pán)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子等19個(gè)零件，總重450Kg，裝在F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)上，僅盤(pán)件就使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減輕58.5Kg，成本降低15%。
70年代以來(lái)，美國(guó)GE公司已在F101,F110,F404,T-700,CF6和CFM-56等軍民用多種發(fā)動(dòng)機(jī)上采用HIP，HIP+熱模鍛，HIP+HIF（等溫鍛）和EX（擠壓）+HIF的Rene95粉末盤(pán)，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(qiáng)度的Rene95相配合，為制造雙性能盤(pán)提供了有利條件.在制造工藝方面，歐美國(guó)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(kāi)展了粉末高溫合金等溫鍛和超塑性鍛造的研究。
我國(guó)粉末盤(pán)的研制從八十年代初開(kāi)始，重點(diǎn)仿制了Rene95合金，進(jìn)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(yàn)及表面強(qiáng)化等研究。九十年代處從俄引進(jìn)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(pán)件生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)行了包套模鍛10A盤(pán)的試驗(yàn)研制。發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，因此目前我國(guó)傾向于采用HIP+等溫鍛（或熱模鍛）工藝路線(xiàn)。
2．2 國(guó)外粉末盤(pán)研究新進(jìn)展
粉末盤(pán)材料在八十年代以前主要追求高強(qiáng)度，近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完整性大綱的貫徹，出現(xiàn)了適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)的第二代粉末盤(pán)材料。這類(lèi)材料的特點(diǎn)是裂紋擴(kuò)展速率比傳統(tǒng)粉末盤(pán)合金明顯降低，缺口擴(kuò)展速率對(duì)環(huán)境的變化不敏感，這樣盤(pán)件的檢修周期可以大大延長(zhǎng)，明顯降低了運(yùn)行費(fèi)用，提高了飛機(jī)作戰(zhàn)的利用率。
（1）盤(pán)件合金實(shí)現(xiàn)了由高強(qiáng)型向耐損傷型的轉(zhuǎn)變
盤(pán)件合金實(shí)現(xiàn)了由高強(qiáng)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(qiáng)度稍有降低，但疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn下降較多，工藝性能得到改善，設(shè)計(jì)的使用溫度比較高，達(dá)到750℃或更高。750℃損傷容餡型粉末盤(pán)在歐美廣泛用于新型先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)，也是我國(guó)推比10發(fā)動(dòng)機(jī)必需的渦輪盤(pán)關(guān)鍵材料。
八十年代以前的盤(pán)件材料主要是鑄鍛材料改型形成的，主要牌號(hào)有ASTROLOY,IN100，Rene95，MERL76及ЭП741等。為了適應(yīng)粉末工藝特點(diǎn)，改型后的合金的碳含量比原鑄鍛牌號(hào)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(qiáng)度最高的渦輪盤(pán)合金。特別是Rene95，550℃的拉伸屈服強(qiáng)度達(dá)1120Mpa以上，但這類(lèi)合金裂紋擴(kuò)展速率都比較快，特別在高應(yīng)力狀態(tài)有保持時(shí)間時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率成數(shù)量級(jí)增加，不能適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)的思想。因此提出了發(fā)展適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)要求的粉末盤(pán)合金的研制計(jì)劃。下表是這些合金與傳統(tǒng)合金的對(duì)比。
（2）制粉工藝向超純凈細(xì)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(pán)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(yīng)用較多。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，氬氣霧化粉末冷速高，晶粒非常細(xì)（——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(wú)陶瓷細(xì)粉方向發(fā)展，氬氣霧化采用了不少新技術(shù)，細(xì)粉收得率和陶瓷夾雜含量明顯減少。無(wú)陶瓷熔煉技術(shù)如等離子體冷壁坩堝熔煉，細(xì)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(jìn)一步減小的趨勢(shì)（從-150目減至-200目）。為適應(yīng)鍛造需要，使用的旋轉(zhuǎn)電極粉粒度也開(kāi)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(xì)晶組織，適合用超塑性鍛造（GATORIZING）鍛成盤(pán)件，材料的性能波動(dòng)比其它方法小，但設(shè)備要求高，成本高。熱等靜壓適應(yīng)性好，可以直接成型盤(pán)件，也可制預(yù)坯再等溫鍛成盤(pán)件。直接熱等靜壓成型盤(pán)件時(shí)盤(pán)件成本低得多，但要求粉末質(zhì)量好，目前只是在俄國(guó)用得比較多。
（4）雙性能及復(fù)合成型整體葉盤(pán)研制并應(yīng)用
利用熱等靜壓復(fù)合技術(shù)、熱機(jī)械處理、熱處理等研制盤(pán)芯高強(qiáng)度、高低周疲勞性能，盤(pán)緣持久蠕變性能好的雙性能盤(pán)，可以擴(kuò)展盤(pán)件的使用溫度范圍，雙性能盤(pán)已在F119等發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。葉片和粉末盤(pán)熱等靜壓復(fù)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(pán)件制造的重要技術(shù)
等溫鍛可以穩(wěn)定粉末盤(pán)的性能，是粉末盤(pán)生產(chǎn)的重要手段。在歐美國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，俄羅斯也在積極研究該項(xiàng)技術(shù)。
（6）應(yīng)用研究強(qiáng)調(diào)盤(pán)件的可靠性
根據(jù)疲勞裂紋萌生理論提出的盤(pán)件夾雜的尺寸容限應(yīng)小于50μm，超聲檢測(cè)精度也應(yīng)達(dá)到50μm左右。然而由于各種條件限制，實(shí)際盤(pán)件研制和檢測(cè)均未能達(dá)到這一目標(biāo)。因此控制夾雜尺寸主要靠控制粉末粒度，使用比較細(xì)的粉末實(shí)現(xiàn)。表面噴丸強(qiáng)化等技術(shù)也在粉末盤(pán)上廣泛使用。
（7）計(jì)算機(jī)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用
計(jì)算機(jī)技術(shù)用于粉末盤(pán)研制的全過(guò)程，包括合金成分設(shè)計(jì)、熱等靜壓包套設(shè)計(jì)、等溫鍛過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬、預(yù)坯設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，熱處理中預(yù)測(cè)組織、性能分布，確定熱處理制度等。該技術(shù)歐、美、俄都已應(yīng)用。
從目前的研究進(jìn)展看，發(fā)展使用溫度更高、裂紋擴(kuò)展速率低、強(qiáng)度高、工藝性能好的渦輪盤(pán)合金及制造成本低的制造技術(shù)將是未來(lái)十年國(guó)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(pán)材料從單純追求強(qiáng)度和損傷容限性能的平衡發(fā)展，是和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)使用的認(rèn)識(shí)深化密不可分的。為了適應(yīng)這一變化，國(guó)際上對(duì)渦輪盤(pán)合金的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了大量的研究，包括晶粒組織、合金成分、熱機(jī)械處理、以及負(fù)荷條件等的變化對(duì)裂紋擴(kuò)展性能的影響。特別是研制過(guò)程中大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，保證了研制的順利進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，高負(fù)荷條件下等延時(shí)對(duì)鎳基渦輪盤(pán)材料的缺口擴(kuò)展速率影響極大，擴(kuò)展速率在不同溫度下可以增加幾十倍，同時(shí)這種變化與無(wú)保持載荷下的擴(kuò)展規(guī)律之間無(wú)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(duì)降低裂紋擴(kuò)展速率很不利，高的Cr和Co對(duì)降低裂紋擴(kuò)展速率有利，新合金設(shè)計(jì)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(jī)械處理
粗晶材料的裂紋擴(kuò)展速率比較低，某些熱機(jī)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(kuò)展速率材料在合金成分上與過(guò)去不同， 熱處理溫度也比較接近γˊ固溶線(xiàn)或在γˊ固溶線(xiàn)上，鍛造過(guò)程也加以嚴(yán)格控制，防止組織異常。同時(shí)還根據(jù)每一零件的工作特點(diǎn)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(yīng)高溫高應(yīng)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(pán)盤(pán)芯高強(qiáng)度及低周疲勞性能、盤(pán)緣高持久蠕變性能的要求。
3．結(jié)論
粉末盤(pán)用新型材料的研制不僅可以推動(dòng)渦輪盤(pán)材料的發(fā)展，解決高推比發(fā)動(dòng)機(jī)的選材問(wèn)題，直接為提高國(guó)防能力服務(wù)，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(pán)和其它鎳基合金材料、抗裂紋擴(kuò)展材料及新型高技術(shù)材料的研制中應(yīng)用，產(chǎn)生長(zhǎng)期的效益，推動(dòng)航空及航天材料及制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起帶動(dòng)作用。
（轉(zhuǎn)載）
