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單晶高溫合金行業現狀及其數值模擬應用綜述

2016-11-29 11:09:54 作者：本網整理來源：中仿科技分享至：

    單晶高溫合金因其優異的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，在航空發動機葉片等高端裝備制造領域中具有重要的應用。了解單晶高溫合金的行業現狀及其數值模擬應用，對于了解產品的市場動向以及提高產品的質量與研發效率具有現實的意義。論文概述了國內外單晶高溫合金的行業現狀及其數值模擬應用，重點總結了國內單晶高溫合金的研發狀況、數值模擬技術在航空發動機用單晶高溫合金制備工藝、性能評價等方面的應用，并提出了改善我國單晶高溫合金生長工藝與質量現狀的努力方向。

    0 引言

    當前，隨著科學技術與社會經濟的發展，航空航天行業呈現產品軍民多樣化、市場競爭日益激烈的態勢。而渦輪發動機葉片的質量是衡量航空航天產品性能的重要指標。單晶高溫合金因其優異的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，已成為制造渦輪發動機葉片的重要材料。單晶高溫合金的生長制備工藝、缺陷預測與控制是影響其工程實際應用的關鍵因素。傳統上一般采用實驗方法來研究上述問題。但利用實驗方法往往成本高、周期長。隨著計算機軟、硬件技術的不斷進步以及計算數學、計算力學等學科的交叉滲透，數值模擬技術作為實驗法的輔助手段，已日益在渦輪發動機葉片等高端裝備制造領域中得到廣泛的應用。因此，了解單晶高溫合金的行業現狀及其數值模擬應用，對于了解產品的市場動向以及提高產品的質量與研發效率具有現實的意義。

    本文從國內外單晶高溫合金的行業現狀出發，結合單晶高溫合金的制備工藝、性能評價等問題，介紹數值模擬技術在航空渦輪發動機葉片用單晶高溫合金中的應用，并提出改善發動機葉片單晶高溫合金生長工藝與質量的數值模擬研究方向。

    1 國外單晶高溫合金行業概況

    目前，全球高溫合金材料被廣泛應用于各個工程領域，但總體而言，核心制造技術主要被為數不多的企業所占據。

    據文獻報道，全球范圍內能夠生產航空航天用高溫合金的企業不超過50家，主要集中在美、英、日等國。發達國家將航空航天領域的高溫合金產品視為其長期發展的戰略物資，嚴格控制對外出口。美國航空航天用單晶高溫合金的年產量約為5萬噸，其中約60%用于民用工業，其研發工藝和應用技術一直處于國際領先水平。主要高溫合金企業的營業收入和營業利潤均在波動中上升。在美國，生產高溫合金水平較高的公司主要有GE、Pratt-Whitney、Cannon-Muskegon、Inco以及Carpenter，其中GE公司能夠自主研發與生產航空發動機用的高溫合金。

    英國是歐盟國家中高溫合金研發和生產的主要代表。英國研發高溫合金起步較早，其鑄造合金技術非常先進，具有代表性的是Mond Nickel公司生產的Nimocast合金。后來該國Rolls-Royceplc公司研制了SRR2000和SRR2060等航空發動機用定向凝固單晶合金。近年該公司的主營業務收入和利潤一直處于提升的狀態。

    日本近年來的單晶高溫合金工藝發展快速，在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金等方面取得較大的成果，已成功開發出在1200℃高溫下能保持足夠強度的新型耐高溫合金。日本高溫合金生產企業主要有IHI、JFE、新日鐵和神戶制鋼等公司。

    總體而言，發達國家美、英、日等國在研發與制備航空發動機用高溫合金方面具有雄厚的技術實力，其核心技術領跑全球，值得國內單晶高溫合金研發與生產人員參考借鑒。

    2 國內單晶高溫合金行業現狀

    20世紀80年代初，中航工業航材院在國內率先開展了單晶合金及葉片技術的研究，成功研制了我國第一代單晶高溫合金DD3。20世紀90年代又成功研制了綜合性能優異的第二代單晶高溫合金DD6。DD6合金拉伸、持久、蠕變、疲勞、抗氧化及耐熱耐腐蝕性能等達到了國外廣泛應用的第二代單晶合金的性能水平。自成功研制我國首件單晶空心渦輪葉片以來，中航工業航材院為多種型號先進航空發動機提供了數萬件單晶葉片，某些裝配單晶渦輪葉片的發動機已翱翔于藍天。

    國內具有代表性的高溫合金研發和生產企業如表1所示。

    表1 國內高溫合金研發和生產的主要企業

    國內高校及相關企業在耐高溫單晶合金方面所做的相關工作綜述如下：

    鋼鐵研究總院燕平等[2]對DD402（CMSX-2）單晶合金標準熱處理狀態組織及850℃下500h、1500h和3000h時效后的組織進行了顯微組織觀察和比較，測定了長期時效后的高溫持久性能。DD402單晶合金屬于第一代單晶合金，已成功應用于某發動機的Ⅰ級渦輪葉片。為提高我國航空發動機的質量，鋼鐵研究總院和南方航空動力機械公司共同開展了DD402單晶合金及其Ⅰ級單晶渦輪葉片的研制工作。

    北京航空材料研究所在單晶高溫合金的研制方面做了很多工作。陳榮章總結分析了單晶高溫合金的發展現狀，認為從20世紀80年代初第一代單晶高溫合金研制成功以來，單晶合金的發展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現和應用，為航空發動機的性能提高作出了重要貢獻。單晶高溫合金在先進渦輪發動機葉片中的應用日益擴大。但客觀而言，我國在單晶合金工藝研究方面仍落后于當前國際先進水平。張勇介紹了一種加礦化劑的單晶殼型。該殼型具有高強度、壁薄而均勻的特點，已應用成功于澆注單晶葉片。張兵等基于近年來國內外對于定向凝固和單晶高溫合金再結晶行為的研究，總結了定向凝固和單晶高溫合金再結晶的主要影響因素，包括熱處理溫度與時間、第二相粒子、變形溫度等。李影等總結了鎳基單晶高溫合金的反常屈服行為，并討論了導致產生這種反常屈服行為的變形機制以及這些變形機制的發展過程。

    中國科學院金屬研究所劉春廷等采用低壓氣相沉積法，在鎳基高溫合金DD32上制備鋁化物涂層。在900℃、1000℃氧化500小時后，表面氧化膜為致密的α-Al2O3和針狀的θ-Al2O3。氧化后的鋁化物涂層外層為β-Ni3Al，內層（擴散層）母體為Ni3Al。

    中國商用飛機公司朱鷗等[8]總結了國內外航空發動機用單晶高溫合金的熱處理工藝，介紹了國外第1代至第3代單晶合金成分與熱處理的關系以及最優的熱處理條件。研究結果表明，升溫和冷卻速率對于單晶高溫合金的使用性能影響顯著。

    中南大學丁智平以鎳基單晶合金渦輪葉片的壽命分析為工程背景，研究了鎳基單晶合金的熱彈塑性行為和高溫低周疲勞性能，并利用有限元分析軟件預測了某發動機渦輪盤鎳基單晶合金葉片的三維非線性循環應力—應變以及葉片的低周疲勞壽命。趙萍[10]將晶體塑性理論和非線性隨動硬化規律應用于低周疲勞研究，基于國內第一代鎳基單晶高溫合金DD3，對其單軸、多軸疲勞開展了研究，并建立了預測航空發動機單晶葉片低周疲勞的本構模型。

    北京科技大學孟杰等研究了熱處理溫度與時間、變形程度及合金成分等多種因素對鎳基單晶高溫合金再結晶的影響規律，分析了再結晶對其蠕變和疲勞性能的影響。

    南京航空航天大學卿華等采用實驗研究與有限元數值模擬方法相結合的方法對比分析了帶孔和不帶孔的某第二代鎳基單晶合金平板試樣的蠕變性能。研究結果表明，高溫蠕變下，平板試樣的晶體取向與是否開孔對蠕變壽命有明顯的影響。

    綜上所述，國內對單晶高溫合金的研究工作主要側重于單晶高溫合金蠕變、疲勞等力學性能、相關的熱處理工藝的研究，對于單晶高溫合金生長過程中的缺陷預測、控制與優化的研究鮮有報道。另外，對于單晶高溫合金生長的機理研究幾乎存在空白。

    3 數值模擬技術在航空發動機單晶高溫合金葉片領域中的應用現狀

    用于制造航空發動機渦輪葉片用單晶高溫合金的定向凝固鑄件生產工藝復雜、控制要求高，因而通過試驗研究單晶高溫合金葉片的成本較高，且研發周期長。隨著計算機軟硬件技術的進步，數值模擬技術發展迅速，在工業領域已得到了廣泛的應用。利用數值模擬技術，可以有效模擬單晶高溫合金的定向凝固生長過程、預測、控制與優化其微觀組織與缺陷情況，提高單晶高溫合金質量、降低研發成本以及縮短研發時間。

    北京航空材料研究院薛明等模擬分析了空心渦輪葉片在定向凝固過程中陶瓷芯內部的溫度分布，研究了陶瓷芯定位及型殼熱物性參數匹配的影響。李嘉榮等采用有限元模擬軟件計算了單晶合金定向凝固過程中的溫度場。楊亮等針對單晶高溫合金精鑄薄壁件制備困難的問題，采用數值模擬方法分析了DD6單晶高溫合金的定向凝固生長過程。通過研究試件幾何形狀以及工藝參數對定向凝固生長過程中溫度梯度以及糊狀區的影響，結果表明，幾何形狀對單晶高溫合金試樣的定向凝固生長有重要影響，提高澆注溫度或降低軸拉速率有助于提高試樣固-液界面前沿液相溫度梯度或減小糊狀區的寬度。

    清華大學于靖等基于CA模型、枝晶生長機理和熱量、溶質傳輸方程，建立了定向凝固單晶高溫合金葉片的三維數值分析模型，考慮了多葉片之間以及加熱爐之間復雜的輻射換熱，模擬了不同抽拉速度下葉片內部的溫度分布，并采用分層算法模擬了定向凝固單晶高溫合金葉片的微觀組織演變。Pan等基于有限差分法數值模擬了航空發動機用單晶的定向凝固生長。研究結果表明，通過適當改變回退率，可以既提高生產能力，又避免產生晶粒缺陷。張航等采用元胞自動機以及有限差分法也對DD6高溫合金三維定向凝固枝晶生長開展了數值模擬研究。

    在國外，單晶高溫合金研發與生產單位非常重視晶體生長過程的全程整體預測以及晶體生長缺陷的預測與優化。為了適應科研與生產的實際需要，結合傳熱與流體計算力學，國外開展了單晶高溫合金生長數值模擬分析軟件的研發工作，并在數值分析軟件的算法、預測精度與求解效率方面做了很多有益的探索研究。其中，比利時魯汶大學教授Fran?ois Dupret及其合作者做了諸多研究工作，并提出了卓有成效的晶體生長全局數值模擬算法。基于這些穩健、高效的算法，Dupret教授主持開發了晶體生長數值模擬軟件FEMAG。該軟件可模擬提拉法、泡生法、區熔法、垂直布里奇曼法、垂直梯度凝固法、定向凝固法、熱交換法以及物理氣相傳輸法等晶體生長工藝以及多物理場耦合仿真問題。其中，FEMAG軟件的定向凝固法生長工藝模擬功能頗具特色，通過集成定向凝固法生長工藝條件的設置，不僅可以自動捕捉晶體定向凝固過程中的固-液界面形狀與位置，還可以計算熔體對流和輻射傳熱、預測加熱器的功率以及計算氧雜質濃度、控制晶體生長的缺陷。

    利用FEMAG軟件可以有效模擬包括單晶高溫合金在內的晶體定向凝固過程以及預測與控制晶體生長的質量，其算法穩健，計算精度高，求解效率高效。而相比而言，國內尚沒有研制出同等高效、高精度模擬預測晶體定向凝固法生長的數值分析軟件，在這方面的工作尚需國內的研發人員加以重視，并努力提高晶體生長模擬的研發水平，加快自主研發步伐，以縮小與國外的差距。

    4 結束語

    作為高端裝備制造領域——航空發動機渦輪葉片的重要材料，單晶高溫合金的研發與生產應用已日益深入。從國內外單晶高溫合金的行業狀況看，單晶高溫合金的核心制造技術仍然為國外某些發達國家所掌握，研發與生產技術水平仍明顯優于國內的同行工作。從研究的方法、研究狀況看，國內外對單晶高溫合金的力學性能（蠕變、疲勞等）研究較多，采用的手段多為有限元數值模擬方法，在工藝方面也主要側重于對定向凝固法生長單晶高溫合金的研究，對于有限元法以外的其他數值模擬方法、定向凝固法以外的其他生長工藝方法研究頗少。對于單晶高溫合金生長機理的理論研究則更為稀少，且難有重大的理論進展突破。從單晶高溫合金生長模擬分析軟件的研制工作看，國內較國外而言，差距仍很顯著。

    為此，我們認為，以下幾方面值得國內從事單晶高溫合金研發與生產的相關人員參考：

    （1）鑒于國內在單晶高溫合金理論、工藝以及數值模擬分析方面研發相對落后的局面，國內的相關工作者需要予以重視，并努力提高單晶高溫合金工藝及其實驗、數值預測的研發水平，加快自主產權軟件的研發，努力縮小與國外同行的差距。

    （2）國內關于單晶高溫合金的研發與生產多為獨立進行，多個單位與行業的合作較少，資源的配置利用較為分散。開展多方合作研發，集中多方的研發優勢，對于核心技術的攻關、資源的高效配置以及研發效率的提高具有重要的促進作用。

    （3）引進、吸收、消化國外先進的研發經驗與技術，開展擁有自主知識產權的晶體生長數值分析軟件的研發工作，對于提升我國在單晶高溫合金數值模擬分析方面的技術水平與核心競爭力具有現實的意義。