&

高溫合金兄弟連——渦輪增壓的航空材料DNA

2016-11-11 09:37:15 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

渦輪應(yīng)用：耐熱更耐久的 “男人幫” 與輕量級(jí)“小鮮肉”

航空發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)稱現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，而高溫合金的渦輪盤則被稱為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中最核心的部件。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)80%左右。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石”。憑借霍尼韋爾在航空高溫合金材料方面的多年積累，其豐富的高溫合金材料寶庫(kù)為汽車行業(yè)的應(yīng)用提供多種可能。

高溫合金最先是由英美國(guó)家在二戰(zhàn)爆發(fā)前開始研發(fā)的。英國(guó)早期研制了Ni3（Al,Ti）強(qiáng)化的Nimonic80系列合金，用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料。歸納起來(lái)，高溫合金按其物理特性大致分為三類：

高強(qiáng)度型如MM247,MM246In100, MM002

耐腐蝕型：in738，in792,Rene80

低密度型：In713

美國(guó)則開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金，也是最普遍的合金材料。如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

近年，隨著定向凝固、單晶生長(zhǎng)、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷型芯、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動(dòng)了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度可接近初熔點(diǎn)的90%。目前第四代單晶高溫合金使用溫度已經(jīng)達(dá)到約1100℃。

640
渦輪高溫合金材料演化

在高溫考驗(yàn)面前，值得一提的是一位輕量級(jí)的后起之秀——耐高溫能力在650℃-750℃的鈦鋁合金Ti-48Al-2Cr-2Nb。鈦鋁合金最大的優(yōu)點(diǎn)是輕巧，僅僅制造了一款發(fā)動(dòng)機(jī)的最后兩級(jí)低壓渦輪葉片，就使得單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減重約200磅，節(jié)油20%，氮化物排放量減少80%，噪音顯著降低。2007年用于波音787飛機(jī)并試飛成功，2009年正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，成為當(dāng)時(shí)航空與材料領(lǐng)域轟動(dòng)性的進(jìn)展。而這一材料也已經(jīng)應(yīng)用到汽車渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片上，顯著地提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩及加速性能。

雖然從性能表現(xiàn)上能夠替代鎳基高溫合金，但目前，阻礙鈦鋁合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過(guò)高。隨著汽車行業(yè)對(duì)排放要求越來(lái)越高，排放溫度從900度提高到1050度及以上，將會(huì)有更多的航空高溫合金材料應(yīng)用到汽車渦輪增壓器。

壓輪應(yīng)用：全能選手“王牌合金”與親民“老司機(jī)”

鈦合金和鋁合金可以說(shuō)是大家耳熟能詳?shù)暮辖鸩牧希谌粘Ｉ钪斜粡V泛采用。前者的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，在苛刻的應(yīng)用條件下表現(xiàn)出高可靠性，比如在假肢、心臟支架的材料等生物醫(yī)療領(lǐng)域，鈦合金被廣泛使用，也大量應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。

鈦合金的應(yīng)用在汽車行業(yè)也越來(lái)越受到重視，例如，在超重型的卡車及礦山機(jī)械作業(yè)車中已有大量鈦合金壓輪在運(yùn)用。

另外值得注意的是，有的手機(jī)、眼鏡廠商為了提高產(chǎn)品檔次、宣稱其外殼采用了“鈦合金”，這時(shí)建議睜大“鈦合金X眼”，不要被它的表親“鋁合金”蒙蔽。

相對(duì)于鈦合金的成本，鋁合金則是一個(gè)更親民的選擇。它是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強(qiáng)度高在航空領(lǐng)域中已大量應(yīng)用。比如，AL2618鋁板可用于形狀復(fù)雜的自由鍛件與模鍛件，還可用于工作溫度250~300攝氏度的航天航空器零件，比如飛機(jī)蒙皮、航空器發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、導(dǎo)風(fēng)輪、輪盤等。隨著汽車對(duì)渦輪增壓器可靠性要求的提高，對(duì)工藝要求更為精細(xì)，傳統(tǒng)的葉輪鑄造技術(shù)已經(jīng)被五軸機(jī)加工技術(shù)取代，葉輪的材料正是來(lái)自于航空鋁合金材料。

軸承：能磨耐轉(zhuǎn)真漢紙，氣浮永壽高精尖

除了渦輪壓輪材料，增壓器的另一個(gè)核心部件——軸承，對(duì)材料也提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

軸承作為各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的支撐，其工作環(huán)境可能是超高溫，超低溫，強(qiáng)腐蝕，也可能是強(qiáng)沖擊，超高速，強(qiáng)磨損等等。在所有球軸承中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承是對(duì)高溫，高速性能要求是最高的，能承載每分鐘30萬(wàn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速。熱等靜壓的氮化硅陶瓷材料為工作溫度高于550攝氏度帶來(lái)希望。目前，陶瓷材料的滾珠軸承已成功的應(yīng)用在霍尼韋爾的汽車渦輪增壓器上。

另一個(gè)更加顛覆性的設(shè)計(jì)就是空氣軸承，又稱為氣浮軸承。它指的是用氣體（通常是空氣，但也有可能是其它氣體）而非潤(rùn)滑油，作為潤(rùn)滑劑的滑動(dòng)軸承。

氣比油粘滯性小，耐高溫，無(wú)污染，因而可用于高速機(jī)器、儀器及放射性裝置中。目前，霍尼韋爾已經(jīng)成功地將航空的空氣軸承技術(shù)引入到新能源車（氫燃料電池技術(shù)）的電子增壓器中，完全避免了任何機(jī)油或油脂對(duì)燃料電池的腐蝕。

以下是空氣軸承的顯著優(yōu)點(diǎn)：

軸承內(nèi)部沒有任何金屬與金屬之間的接觸，如果供給的空氣清潔、且沒有油和水，將確保實(shí)際上無(wú)限的壽命

空氣軸承會(huì)從軸承尾部不斷排除空氣，這就形成了阻礙外部有害污染物（如：原料碎片、或者切割液）進(jìn)入的天然屏障

空氣軸承提供極高的徑向和軸向旋轉(zhuǎn)精度。由于沒有機(jī)械接觸，磨損程度降到了最低，從而確保精度始終保持穩(wěn)定。

空氣軸承內(nèi)部的低剪切力，能夠在提供極高轉(zhuǎn)速的同時(shí)，將動(dòng)力損失降到最低，并使產(chǎn)生的熱量非常小。轉(zhuǎn)速可以超過(guò)300,000轉(zhuǎn)/分鐘

空氣軸承能夠支撐很大的負(fù)載，所以使得它們能夠被應(yīng)用于很多行業(yè)的機(jī)械工具中。

空氣主軸運(yùn)行時(shí)，只產(chǎn)生最小幅度的振動(dòng)和可聞噪音。典型的平衡標(biāo)準(zhǔn)：G0.4或者更高

640
空氣軸承實(shí)物及示意圖

高溫保護(hù)涂層——多重防護(hù)不能省

盡管高溫合金耐得住真火考驗(yàn)，但在高溫環(huán)境介質(zhì)作用下，結(jié)構(gòu)材料通常發(fā)生高溫氧化和腐蝕現(xiàn)象，使得工件的有效截面積減少，并易出現(xiàn)裂紋源，最終造成機(jī)器零件在工作狀態(tài)早期破壞。因此，為防護(hù)高溫合金結(jié)構(gòu)材料的安全應(yīng)用，減輕和消除氧化、腐蝕的有害影響，一般均要求進(jìn)行表面涂層防護(hù)。而高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)也對(duì)高溫合金提出了新的挑戰(zhàn)。推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已達(dá)1650℃，超過(guò)鎳基合金的熔點(diǎn)，而目前較多的高溫合金使用溫度普遍達(dá)到1000℃左右，沒有防護(hù)涂層或隔熱涂層是不能應(yīng)用的。

高溫合金防護(hù)涂層至今已由第一代固體包埋滲鋁發(fā)展到第二代二元或多元共滲，其中Pt-Al涂層最有名。70年代美國(guó)研制出第三代MCrAlY（M＝Ni、Fe、Co）涂層。截止20世紀(jì)末，第四代隔熱（熱障）涂層研制成功并已開始得到廣泛應(yīng)用，熱障涂層的隔熱作用，可使金屬基體表面溫度降低200℃左右，即可使渦輪葉片相應(yīng)提高其使用溫度，從而大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力或推重比。同時(shí)，在氧化物涂層與合金基體之間的MCrAlY結(jié)合層，可以滿足使用部件抗高溫腐蝕性能要求和壽命要求。目前，正在有多種嘗試在渦輪增壓器上使用高溫合金防護(hù)涂層，并在努力使之降到汽車廠商可接受的成本范圍。

640
目前新的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上有先進(jìn)的陶瓷涂層