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高温合金

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高温合金GH4145(GH4169)3D应用趋势

发布时间:2019/10/29 点击量:

高温合金通常的工作温度超过600℃,在高温下的强度、延展性、抗蠕变性能以及抗腐蚀能力都很强。对于高温合金零部件,增材制造技术不仅能够缩短生产时间、降低生产成本,还能优先考虑功能设计,非常适用于制备航空发动机及燃气轮机喷嘴、叶片、燃烧室等热端部件,以及航天飞行器、火箭发动机等复杂零部件。近年来,高温合金增材制造技术发展迅速,已在航空航天领域实现了多项应用。

 

航空发动机采用镍基合金增材制造零部件

 

赛峰集团是航空发动机市场中涡扇发动机和战斗机发动机的主要制造商之一。该集团eAPU60微型涡轮发动机采用了增材制造的镍基合金喷嘴,并作为AW189型直升机的辅助动力装置的核心部件之一。

 

 

eAPU60涡轮喷嘴采用选区激光熔化3D打印工艺制造,采用镍基合金X代替传统上使用的铬镍铁合金铸件。传统的涡轮喷嘴由八个组件组成,通过3D打印允许将其切割成仅仅四个部件,使得喷嘴比原来轻了35%。采用3D打印技术制造涡轮喷嘴也缩短了开发时间,3D打印组件可以在几天内就完成制造。

 

XWB-97拥有有史以来首个最大的3D打印民用航空发动机组件

 

罗罗公司通过与英国制造技术中心(MTC)合作,在XWB-97发动机中采用3D打印制造了镍基合金前轴承座结构件,该部件直径1.5米、厚0.5米,大小类似于拖拉机轮胎。该组件并非整体,其包含的48个气动形状的叶片组件也是采用増材制造技术制成。

 

巡航导弹等高超声速武器使用高温合金增材制造燃烧室

 

超燃冲压发动机是高超声速武器的源动力之一,其整个结构在工作过程中整体会处于非常高的温度状态,当飞行速度为6倍声速时,燃烧室温度达2700 K左右,进口处的温度甚至也达到1500K。

 

高超声速武器发动机再生冷却结构点击查看

 

如此高的温度普遍使用主动冷却系统,即再生冷却结构,其水力直径约2 mm比火箭发动机的冷却通道尺寸更小。2016年,美国ATK公司采用激光粉末床熔融技术,实现了燃烧室的一次性整体成型,不仅大幅降低了设计与制备难度,而且有效提高了燃烧室的整体性能,而高温合金就是制造燃烧室的主要材料。

 

增材制造镍基合金用于火箭发动机部件

 

2017年,美国洛克达因公司与美国空军合作开发了价值约1.15亿美元的AR1火箭发动机,旨在取代俄制RD-180发动机。

 

 

AR1火箭发动机采用3D打印制造了一种高强度、耐烧蚀性好的镍基超金属合金材料(Mondaloy200™),用于制造转子和流体之间传递能量的发动机部件,此前俄制RD-180发动机部件需要金属涂层,而这种新材料则无需涂层。

 

空客部署高温合金大型工业级金属增材制造系统

 

2016年,西亚基公司向空客交付的电子束增材制造(EBAM)110系统,能够在打印过程中实时监测和控制,可用于许多金属和难熔合金,如铁、钽、铌、钨、镍和不锈钢等。

 

EBAM 110系统建造尺寸为1778×1194×1600 mm

 

从诸多报道也可以看出,当前电子束3D打印正普遍用于高温合金的成型,除了上述案例,最为知名的当属GE在近两年大批采购和使用ACRAM EBM打印机,其生产的钛铝合金叶片已经应用于GE9X发动机,相比传统使用的镍基合金轻50%左右,具有更加优异的强度重量比。

 

 

高温合金增材制造作为目前的研究热点与前沿方向,主要围绕钛合金、镍基高温合金、钴铬高温合金等材料开展大量技术与应用研究。该应用方向主要开展的关键技术研究包括:开发模型、性能预测、高温合金增材制造标准化等。未来,高温合金增材制造将成熟用于航空发动机、军用发动机、燃气轮机等装备,主要在燃气式、涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的制造中使用,有望大幅降低武器装备的生产成本,缩短生产周期。