梁琳++李媛智

摘要： 了解單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，對(duì)于了解產(chǎn)品的市場(chǎng)動(dòng)向以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量和研發(fā)效率具有現(xiàn)實(shí)意義.概述國內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，重點(diǎn)總結(jié)我國單晶高溫合金的研發(fā)狀況、數(shù)值模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶高溫合金制備工藝、性能評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用，并提出改善我國單晶高溫合金生長(zhǎng)工藝與質(zhì)量控制的努力方向.

關(guān)鍵詞： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片； 單晶高溫合金； 制備工藝； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： V263文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空航天行業(yè)呈現(xiàn)產(chǎn)品軍民多樣化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的態(tài)勢(shì).渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的質(zhì)量是衡量航空航天產(chǎn)品性能的重要指標(biāo).單晶高溫合金以其優(yōu)異的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，已成為制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的重要材料.單晶高溫合金的生產(chǎn)制備工藝、缺陷預(yù)測(cè)與控制是影響其工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素.傳統(tǒng)一般采用實(shí)驗(yàn)方法研究上述問題，但實(shí)驗(yàn)往往成本高、周期長(zhǎng).隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步以及計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)等學(xué)科的交叉滲透，數(shù)值模擬技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)法的輔助手段，已日益在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高端裝備制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用.因此，了解單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，對(duì)于了解產(chǎn)品的市場(chǎng)動(dòng)向以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率具有現(xiàn)實(shí)意義.

本文從國內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合單晶高溫合金的制備工藝和性能評(píng)價(jià)等問題，介紹數(shù)值模擬技術(shù)在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片單晶高溫合金中的應(yīng)用，并提出改善發(fā)動(dòng)機(jī)葉片單晶高溫合金生長(zhǎng)工藝與質(zhì)量的數(shù)值模擬研究方向.

1國外單晶高溫合金行業(yè)概況

目前，全球高溫合金材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，但總體而言，核心制造技術(shù)主要被為數(shù)不多的企業(yè)所占據(jù).

全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過50家，主要集中在美、英、日等國.[1]發(fā)達(dá)國家將航空航天領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品視為其長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略物資，嚴(yán)格控制對(duì)外出口.美國航空航天單晶高溫合金的年產(chǎn)量約為5萬t，其中約60%用于民用工業(yè)，其研發(fā)工藝和應(yīng)用技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先水平.主要高溫合金企業(yè)的營業(yè)收入和營業(yè)利潤均在波動(dòng)中上升.在美國，生產(chǎn)高溫合金水平較高的公司主要有GE，PrattWhitney，CannonMuskegon，Inco和Carpenter，其中GE公司能夠自主研發(fā)與生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫合金[1].

英國是歐盟國家中高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)的主要代表.英國研發(fā)高溫合金起步較早，其鑄造合金技術(shù)非常先進(jìn)，具有代表性的是Mond Nickel公司生產(chǎn)的Nimocast合金.后來該國RollsRoyceplc公司研制SRR2000和SRR2060等航空發(fā)動(dòng)機(jī)用定向凝固單晶合金.該公司的主營業(yè)務(wù)收入和利潤一直處于提升的狀態(tài).

日本近年來的單晶高溫合金工藝發(fā)展迅速，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成果，已成功開發(fā)出在1 200 ℃高溫下能保持足夠強(qiáng)度的新型耐高溫合金.日本高溫合金生產(chǎn)企業(yè)主要有IHI，JFE，新日鐵和神戶制鋼等公司.

總體而言，發(fā)達(dá)國家美、英、日等國在研發(fā)與制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金方面具有雄厚的技術(shù)實(shí)力，其核心技術(shù)領(lǐng)跑全球，值得國內(nèi)單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)人員參考借鑒.

2國內(nèi)單晶高溫合金行業(yè)現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初，中航工業(yè)北京航空材料研究院在國內(nèi)率先開展單晶合金及葉片技術(shù)的研究，成功研制出我國第一代單晶高溫合金DD3.20世紀(jì)90年代又成功研制出綜合性能優(yōu)異的第二代單晶高溫合金DD6.DD6拉伸、持久、蠕變、疲勞、抗氧化及耐熱耐腐蝕性能等均達(dá)到國外廣泛應(yīng)用的第二代單晶合金的性能水平.自成功研制出我國首件單晶空心渦輪葉片以來，中航工業(yè)北京航空材料研究院為多種型號(hào)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供數(shù)萬件單晶葉片，某些裝配單晶渦輪葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)已隨機(jī)翱翔于藍(lán)天.

國內(nèi)具有代表性的高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)見表1.

表 1國內(nèi)高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)的主要企業(yè)

Tab.1Superalloy research and production enterprises in China單位高溫合金業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介鋼研

高納擁有技術(shù)、資金、市場(chǎng)和規(guī)模等優(yōu)勢(shì)；產(chǎn)品涵蓋鑄造、變形、新型高溫合金等；鑄造高溫合金的產(chǎn)能近2 000 t，變形高溫合金產(chǎn)能超過150 t，粉末高溫合金產(chǎn)能近100 t，ODS合金、核電等新型高溫合金產(chǎn)能近100 t撫順

特鋼國內(nèi)老牌高溫合金生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品主要以變形高溫合金為主，規(guī)模國內(nèi)最大；高溫合金產(chǎn)能近3 000 t，民用產(chǎn)品約占40%，高溫合金營業(yè)收入近6億元寶鋼

特鋼國內(nèi)老牌的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)，民用產(chǎn)品占比高，但也生產(chǎn)GH4169和GH738等航空航天用變形高溫合金；其高溫合金產(chǎn)量超過1 000 t長(zhǎng)城

特鋼以一般的變形高溫合金產(chǎn)品為主齊齊哈

爾特鋼以生產(chǎn)一般的民用變形高溫合金產(chǎn)品為主北京航

材院技術(shù)實(shí)力出眾，主要從事飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)用材料、工藝、檢測(cè)技術(shù)研究，具有高性能材料小批量生產(chǎn)和高難度重要部件的研發(fā)能力，在高溫合金單晶葉片領(lǐng)域具備較強(qiáng)科研與生產(chǎn)實(shí)力沈陽金

屬所以國家重大攻關(guān)項(xiàng)目研究為主，涉及高溫合金等高端裝備材料研發(fā)等領(lǐng)域

國內(nèi)高校及相關(guān)企業(yè)在耐高溫單晶合金方面也開展相關(guān)工作.

燕平等[2]對(duì)DD402（CMSX2）單晶合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)組織及850 ℃下500，1 500和3 000 h時(shí)效的組織進(jìn)行顯微觀察和比較，測(cè)定長(zhǎng)期時(shí)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(yīng)用于某發(fā)動(dòng)機(jī)的Ⅰ級(jí)渦輪葉片.為提高我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，鋼鐵研究總院和南方航空動(dòng)力機(jī)械公司共同開展DD402單晶合金及其Ⅰ級(jí)單晶渦輪葉片的研制工作.endprint

北京航空材料研究所在單晶高溫合金的研制方面也開展很多工作.陳榮章[3]總結(jié)分析單晶高溫合金的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為從20世紀(jì)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(fā)展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現(xiàn)和應(yīng)用，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高作出重要貢獻(xiàn).單晶高溫合金在先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中的應(yīng)用日益擴(kuò)大，但客觀而言，我國在單晶合金工藝研究方面仍落后于當(dāng)前國際先進(jìn)水平.張勇[4]介紹一種加礦化劑的單晶殼型.該殼型具有高強(qiáng)度、壁薄且均勻的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于澆注單晶葉片.張兵等[5]基于近年來國內(nèi)外對(duì)于定向凝固和單晶高溫合金再結(jié)晶行為的研究，總結(jié)定向凝固和單晶高溫合金再結(jié)晶的主要影響因素，包括熱處理溫度與時(shí)間、第二相粒子、變形溫度等.李影等[6]總結(jié)鎳基單晶高溫合金的反常屈服行為，并討論導(dǎo)致產(chǎn)生這種反常屈服行為的變形機(jī)制以及這些變形機(jī)制的發(fā)展過程.

中國科學(xué)院金屬研究所的劉春廷等[7]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和1 000 ℃氧化500 h后，表面氧化膜為致密的αAl2O3和針狀的θAl2O3.氧化后的鋁化物涂層外層為βNi3Al，內(nèi)層（擴(kuò)散層）母體為Ni3Al.

朱鷗等[8]總結(jié)國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶高溫合金的熱處理工藝，介紹國外第一代至第三代單晶合金成分與熱處理的關(guān)系以及最優(yōu)的熱處理?xiàng)l件.研究結(jié)果表明：升溫和冷卻速率對(duì)于單晶高溫合金的使用性能影響顯著.

丁智平[9]以鎳基單晶合金渦輪葉片的壽命分析為工程背景，研究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(yù)測(cè)某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤鎳基單晶合金葉片的三維非線性循環(huán)應(yīng)力應(yīng)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(dòng)硬化規(guī)律應(yīng)用于低周疲勞研究，基于國內(nèi)第一代鎳基單晶高溫合金DD3，對(duì)其單軸、多軸疲勞開展研究，并建立預(yù)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片低周疲勞的本構(gòu)模型.

孟杰等[11]研究熱處理溫度與時(shí)間、變形程度及合金成分等多種因素對(duì)鎳基單晶高溫合金再結(jié)晶的影響規(guī)律，分析再結(jié)晶對(duì)其蠕變和疲勞性能的影響.

卿華等[12]采用實(shí)驗(yàn)研究與有限元數(shù)值模擬方法相結(jié)合的方法對(duì)比分析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(jié)果表明：在高溫蠕變下，平板試樣的晶體取向與是否開孔對(duì)蠕變壽命有明顯的影響.

綜上所述，國內(nèi)對(duì)單晶高溫合金的研究工作主要側(cè)重于單晶高溫合金蠕變、疲勞等力學(xué)性能及相關(guān)的熱處理工藝的研究，對(duì)于單晶高溫合金生長(zhǎng)過程中的缺陷預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化的研究鮮有報(bào)道.另外，對(duì)單晶高溫合金生長(zhǎng)機(jī)理的研究幾乎空白.

3數(shù)值模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶高溫合金葉片領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片單晶高溫合金的定向凝固鑄件生產(chǎn)工藝復(fù)雜、控制要求高，因而通過實(shí)驗(yàn)研究單晶高溫合金葉片的成本較高且研發(fā)周期長(zhǎng).隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用.利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以有效模擬單晶高溫合金的定向凝固生長(zhǎng)過程，預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化其微觀組織與缺陷情況，提高單晶高溫合金質(zhì)量、降低研發(fā)成本并縮短研發(fā)時(shí)間.

薛明等[13]模擬分析空心渦輪葉片在定向凝固過程中陶瓷芯內(nèi)部的溫度分布，研究陶瓷芯定位及型殼熱物性參數(shù)匹配的影響.李嘉榮等[14]采用有限元模擬軟件計(jì)算單晶合金定向凝固過程中的溫度場(chǎng).楊亮等[15]針對(duì)單晶高溫合金精鑄薄壁件制備困難的問題，采用數(shù)值模擬方法分析DD6單晶高溫合金的定向凝固生長(zhǎng)過程.通過研究試件幾何形狀以及工藝參數(shù)對(duì)定向凝固生長(zhǎng)過程中溫度梯度和糊狀區(qū)的影響，結(jié)果表明：幾何形狀對(duì)單晶高溫合金試樣的定向凝固生長(zhǎng)有重要影響，提高澆注溫度或降低軸拉速度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(qū)的寬度.

于靖等[16]基于CA模型、枝晶生長(zhǎng)機(jī)理和熱量、溶質(zhì)傳輸方程，建立定向凝固單晶高溫合金葉片的三維數(shù)值分析模型，考慮多葉片之間以及加熱爐之間復(fù)雜的輻射傳熱，模擬不同抽拉速度下葉片內(nèi)部的溫度分布，并采用分層算法模擬定向凝固單晶高溫合金葉片的微觀組織演變.PAN等[17]基于有限差分法數(shù)值模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶的定向凝固生長(zhǎng).研究結(jié)果表明：通過適當(dāng)改變回退率，可以既提高生產(chǎn)能力，又避免產(chǎn)生晶粒缺陷.張航等[18]采用元胞自動(dòng)機(jī)以及有限差分法對(duì)DD6高溫合金三維定向凝固枝晶生長(zhǎng)開展數(shù)值模擬研究.

在國外，單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)單位非常重視晶體生長(zhǎng)過程的全程整體預(yù)測(cè)以及晶體生長(zhǎng)缺陷的預(yù)測(cè)與優(yōu)化.為適應(yīng)科研與生產(chǎn)的實(shí)際需要，結(jié)合傳熱與流體計(jì)算力學(xué)，開展單晶高溫合金生長(zhǎng)數(shù)值模擬分析軟件的研發(fā)工作，并在數(shù)值分析軟件的算法、預(yù)測(cè)精度與求解效率方面進(jìn)行很多有益的探索研究，其中，DUPRET等[1920]開展諸多研究工作，并提出卓有成效的晶體生長(zhǎng)全局?jǐn)?shù)值模擬算法.基于這些穩(wěn)健、高效的算法，DUPRET教授主持開發(fā)晶體生長(zhǎng)數(shù)值模擬軟件FEMAG.該軟件可模擬提拉法、泡生法、區(qū)熔法、垂直布里奇曼法、垂直梯度凝固法、定向凝固法、熱交換法和物理氣相傳輸法等晶體生長(zhǎng)工藝以及多物理場(chǎng)耦合仿真問題.其中，F(xiàn)EMAG軟件的定向凝固法生長(zhǎng)工藝模擬功能頗具特色，通過集成定向凝固法生長(zhǎng)工藝條件的設(shè)置，不僅可以自動(dòng)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(jì)算熔體對(duì)流和輻射傳熱、預(yù)測(cè)加熱器的功率以及計(jì)算氧雜質(zhì)濃度、控制晶體生長(zhǎng)的缺陷.

利用FEMAG軟件可以有效模擬包括單晶高溫合金在內(nèi)的晶體定向凝固過程以及預(yù)測(cè)與控制晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量，其算法穩(wěn)健，計(jì)算精度高，求解效率高.而相比而言，國內(nèi)尚未研制出同等高效、高精度模擬預(yù)測(cè)晶體定向凝固法生長(zhǎng)的數(shù)值分析軟件，這方面的工作尚需國內(nèi)的研發(fā)人員加以重視，并努力提高晶體生長(zhǎng)模擬的研發(fā)水平，加快自主研發(fā)步伐，以縮小與國外的差距.

4結(jié)束語

作為高端裝備制造領(lǐng)域航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的重要材料，單晶高溫合金的研發(fā)與生產(chǎn)應(yīng)用已日益深入.從國內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)狀況看，單晶高溫合金的核心制造技術(shù)仍然為國外某些發(fā)達(dá)國家所掌握，研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)水平仍明顯優(yōu)于國內(nèi)同行的工作.從研究方法和狀況看，國內(nèi)外對(duì)單晶高溫合金的力學(xué)性能（蠕變、疲勞等）研究較多，采用的手段多為有限元數(shù)值模擬方法，在工藝方面也主要側(cè)重于對(duì)定向凝固法生長(zhǎng)單晶高溫合金的研究，對(duì)于有限元法以外的其他數(shù)值模擬方法、定向凝固法以外的其他生長(zhǎng)工藝方法研究頗少.對(duì)于單晶高溫合金生長(zhǎng)機(jī)理的理論研究則更少，且難有重大的理論進(jìn)展突破.從單晶高溫合金生長(zhǎng)模擬分析軟件的研制工作看，國內(nèi)較國外而言，差距仍很顯著.endprint

為此，以下幾方面值得國內(nèi)從事單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)的相關(guān)人員參考.

1）針對(duì)國內(nèi)在單晶高溫合金理論、工藝以及數(shù)值模擬分析方面研發(fā)相對(duì)落后的局面，國內(nèi)的相關(guān)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(shí)驗(yàn)、數(shù)值預(yù)測(cè)的研發(fā)水平，加快自主產(chǎn)權(quán)軟件的研發(fā)，努力縮小與國外同行的差距.

2）國內(nèi)關(guān)于單晶高溫合金的研發(fā)與生產(chǎn)多為獨(dú)立進(jìn)行，多個(gè)單位與行業(yè)的合作較少，資源的配置利用較為分散.開展多方合作研發(fā)，集中多方的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于核心技術(shù)的攻關(guān)、資源的高效配置以及研發(fā)效率的提高具有重要的促進(jìn)作用.

3）引進(jìn)、吸收和消化國外先進(jìn)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，開展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的晶體生長(zhǎng)數(shù)值分析軟件的研發(fā)工作，對(duì)于提升我國在單晶高溫合金數(shù)值模擬分析方面的技術(shù)水平與核心競(jìng)爭(zhēng)力具有現(xiàn)實(shí)意義.參考文獻(xiàn)：

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