随着航空航天技术继续推进边界 — — 从超音速飞行到深空推进 — — 关键部件所使用的材料必须演化以满足前所未有的需求。 超合金 — — 喷气发动机、燃气轮机和火箭喷嘴的工马材料 — — 正在用新的成分进行重新设计,以在温度超过1200°C、腐蚀性燃烧环境以及循环性机械载荷中生存。 研究人员和制造商现在转向了可反式金属添加、氧化物散射增强和高强度概念,以创造下一代超合金。 本条探讨了新兴的成分、其机制、加工挑战和能使航空航天器更安全、效率更高的性能收益。

超合金的演变和基本原理

超合金是一类独特的金属材料,旨在保持强度、稳定性和在温度高于0.6 T m (它们的熔融温度)时的腐蚀性。它们主要以镍、钴或镍矿基为主,降水变硬,使其具有显著的蠕动阻力和疲劳寿命。 犬类的例子有:镍基超合金中发现的XX微结构:一个以面为中心立方体的基体(γ),由一致的Ni[3](Al,Ti)沉淀物( ⁇ )强化。 这一结构提供了极佳的高温强度,最高约1000°C,但下一代车辆需要运行远超出这个限度。

关键微结构特征

  • 伽玛 ⁇ ( ⁇ ) 催化:[ Ni3 Al ⁇ 以命令为主的阶段,在高温下阻碍离散运动.
  • 碳化物和硼化物:[] 防止滑动和凸动的谷物边界加固剂.
  • 溶解增强: 基质中诸如钨,氦,以及钼等元素溶解,使丝状菌株和对蠕动的抵抗力不断增强.
  • 格兰边界工程:[] 热力机械加工控制谷物大小和方向,通常通过方向固化或单晶铸造.

传统的镍基超合金如Inconel 718和René 88已经达到了温度极限。 向更高的操作温度、较低的密度和更长的使用寿命的驱动力刺激了全新的成分的发展。

新兴的构成和合金设计战略

现代合金设计超越了铬和铝含量的增量调整。 研究人员正在吸收曾经被认为反应性过强或难以处理的元素,并正在利用计算热力学(CALPHAD)来预测极端条件下的相位稳定性。

反式金属增量:钽、钨、铬和 ⁇

反式金属的熔点特别高,有助于固态强化和二次降水。 ⁇ 和钨取代较弱的抗式元素,以提高1000°C以上的蠕动强度。 单晶片(如CMS ⁇ 4和CMS ⁇ 10)中用过氢化物几十年,但其密度和成本是负债。 CMS ⁇ 10K等新世代在增加 ⁇ 的同时,减少含铬量,稳定 ⁇ 相,抑制使合金不锈的地形近态 ⁇ (TCP)相。 结果是合金保持1100°C的强度,而不会产生抗氧化作用。

氧化物分散强化(ODS)超合金

臭氧消耗物质超合金在金属基质中包含氧化纳米粒子的微散(通常为yttria,Y2]O3]。 这些氧化物在高温下耐凝固,产生远超降水硬化合金的稳定蠕动阻力。大多数臭氧消耗物质合金是镍基(如PM 1000,MA 6000)或铁基(14YWT系列)),最近的工作重点是增加可反射散体,如ZrO2和TiC,以提高强度,温度为1100-1200°C。 然而,由于需要机械合金和热静态压(HIP),因此,臭氧消耗物质的加工仍然具有挑战性,这限制了组件的尺寸。

高额超额利润(高额利润)

常规单倍构件的范式转变, HESA 通常包含近等离子比的5个或5个以上的元素. AlCoCrFeNi 等组成物及其衍生物组成了两相相微结构(FCC矩阵+B2或L12] 沉淀),表现出极强的高温强度和氧化阻力. Tennasi大学和橡树岭国家实验室的研究人员报告,在800 °C时,HESA 的强度与 Inconel 718 相当,但密度较低, 设计空间广阔, 并且越来越多地在实验验证前用于筛选候选人.

金属加固合金及以后

诸如γ- ⁇ prime等金属间相,与γ- ⁇ prime(Ni3]Nb],三角洲(Ni3]Nb),以及L12]2 型沉积物(如Co3(Al,W))相加。 以钴为基础的超合金(Cobalt ⁇ bet ⁇ prime)3,历史上受高温低强度的限制,通过增加钨和铝形成一个连贯的L12型沉积物,一个显著的例子就是剑桥大学开发的Co ⁇ Al-W ⁇ Ti ⁇ ta合金,它表现出了缓冲性接近第一代镍的超合金,但氧化和热性更高,这些基聚金在海洋或火山作用上具有特别大的问题。

极端环境高级涂装和表面工程

即使是最好的超合金内部也无法承受没有防护直接暴露于燃烧气体中. 热屏障涂层(TBC)和连锁外衣是每一个现代涡轮机叶片的有机组成部分.

热阻制动

⁇ 基三氯乙烯是由电子 ⁇ 束物理蒸汽沉积(EB ⁇ PVD)或等离子喷洒所应用的 ⁇ 基稳定化 ⁇ 基化合物(YSZ)制成,新一代正在探索 ⁇ 基化合物(Gd22]22]7)和其他热导率较低、相位稳定性高于1200°C的 ⁇ 基化合物。

邦德·海特和扩散障碍

邦德涂层,一般为MCrAlY(M = Ni,Co,或Fe)或铂-aluminide,是金属底物和陶瓷顶衣之间的抗氧化层和胶合物,最近的研究引入了基于Re-的传播屏障,以防止在邦德涂层和超合金之间发生间隙,这种失败模式会产生不理想的阶段. 邦德涂层表面的反应元素添加(如Hf,Zr,Y)进一步加强氧化物的尺度粘合.

制造业和加工创新

新的成分需要新的加工方法。方向固化和单晶铸造对于涡轮叶片来说是既定的,但添加剂制造(AM)正在打开通往复杂的内部冷却通道和接近 net shape的部件的通道,以减少物质废物。激光-粉末床聚变(LPBF)和电子-束熔化(EBM)已经适应了Inconel 718等超合金,但与可逆性-晶体成分发生斗争,这些成分的加工窗口狭窄,容易裂解。热裂解、固化裂和菌株- ⁇ 裂是积极的研究课题。结合AM和热异静压的混合过程正在试验中,用于ODS 超合金和HESAs。

优点和业绩衡量

量化新出现的超合金构成的好处需要与基准合金进行比较。

  • 克里普断裂寿命: 新的含有镍的超合金显示,在1100°C/100兆帕时,蠕动寿命比CMSQQ4长50%.
  • 氧化阻力:[] 含10 wt%铝的钴基HESA形成连续的Al[2]2O3]标度,可保护最高达1200 °C,持续数百小时.
  • 降低密度: 臭氧消耗物质铁基合金(例如14YWT)的密度为7.8克/立方厘米,比镍基对等物轻10%左右,同时保持抗拉强度在800°C以上。
  • 火药耐药性: Fine ⁇ grained 单晶片与谷物边界工程化的微结构显示高 ⁇ 周期疲劳寿命改善30%.

挑战和未来研究方向

尽管取得了显著进展,但许多新的超合金在达到生产准备状态之前仍面临若干障碍。难抗金属价格昂贵,难以在不发生污染的情况下熔化。低密度HESA的单晶铸造产量可低于20%。 ODS合金组件由于HIP化粉末冶金路线而尺寸有限。此外,许多新成分的焊接能力很差;修理涡轮机叶片可能需要新的结合技术,如瞬态液相连接或摩擦焊接。氧化和热蚀阻必须在现实的飞行周期中验证,包括高温变化和热流性。航空航天工业的认证过程——美国航天局和FAAA的适航标准——要求进行跨年的彻底测试。然而,付出的代价是巨大的:即使涡轮机温度上升50°C,也可提高喷气发动机的效率,从而降低燃料燃烧和CO2 。

下一个十年展望

计算合金设计、先进特性(原子探测器图谱、同步热电磁学)和新型制造的结合将加速部署具有前所未有的能力的超合金。超音速飞行器需要机体和发动机材料,这些材料可以在1500°C的条件下承受Mach 5+飞行,超出任何目前的超合金。 混合复合材料(超合金)和功能分级材料从金属根向陶瓷尖端过渡,可能成为常规。 正如美国航天局的[Ultra-Efficient engine Technology(UET)[和欧洲的Clean Sky倡议所构建的基础材料一样,本文所述的新兴超合金构成将成为下一代航空航天器所依赖的基础材料。