张瑞1,刘鹏1,崔传勇
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近年来我国对高性能航空发动机的需求越来越迫切，随之涡轮盘用合金服役环境也越来越苛刻，耐700℃以上的GH4065、GH4720Li、GH4068和GH4151等一系列涡轮盘用铸锻合金被广泛研究、制备或使用。为了促进这类合金的发展和综合性能提升，本文从合金种类、均匀化处理工艺、铸锭开坯、盘件制备和组织性能调控等方面综述了我国涡轮盘用铸锻难变形合金的热加工研究现状，凝练出这类合金在研究制备过程中的短板问题，并对未来的工作方向进行了展望，借此促进涡轮盘用铸锻难变形高温合金的发展和工艺稳定性的提升。
关键词：
涡轮盘作为航空发动机燃烧室和喷管之间的核心部件，其性能对航空发动机的推重比、热效率和寿命起着至关重要的作用[1~3]。由于涡轮盘功能重要，服役环境苛刻，受力状态复杂，被誉为“航空发动机的心脏部件”，涡轮盘主要采用变形高温合金制造，涡轮盘用变形高温合金占发动机总质量的20%左右[4]。因此，涡轮盘用变形高温合金也成为一个国家材料设计和制备水平的总体表现和标志之一。
随着航空航天工业迅速发展，飞行器推重比增大，发动机部件的工作温度不断提高，推动了涡轮盘用变形高温合金的研发与应用。为满足航空发动机的工况要求，涡轮盘用高温合金承温能力已经上升到700℃以上，该类合金有GH4065[5]、GH4720Li[6]、GH4068[7]和GH4151[8]等。为了提高合金的服役性能，满足高温强度需求，会在高性能涡轮盘用变形高温合金中添加大量的固溶强化元素(W、Mo)、γ'相形成元素(Al、Ti、Nb)和降低层错能元素(Co、Ta)。然而，高合金化程度不仅提高了合金的制备成本，而且增加了合金热变形和组织性能调控难度[9]。
虽然粉末冶金是解决先进涡轮盘制备难加工问题的一个途径，但从生产效率和成本控制方面考虑，铸锻工艺仍然具备突出的优势。为了促进涡轮盘用难变形高温合金的发展，本文总结了我国涡轮盘用铸锻难变形高温合金热加工的研究现状，针对近年来铸锻制备过程中的均匀化处理、开坯锻造、盘件锻造和组织性能调控等方面取得的进展和存在的问题进行了详细的讨论，并对未来的研究方向进行了展望。希望借此促进涡轮盘用铸锻难变形高温合金的发展，提高技术成熟度，保证涡轮盘的生产效率和成材率，使涡轮盘用铸锻难变形高温合金的制备和研究水平达到国际先进水平。
涡轮盘用变形高温合金中含有10种以上合金化元素(图1[10])，这些元素中W和Mo可以大量地溶解到γ基体中，并且这些合金元素的原子半径比Ni原子大，所以会使基体产生晶格畸变，从而获得优异的固溶强化效果。耐700℃以上涡轮盘用难变形镍基高温合金中，由于Al + Ti + Nb的添加会析出L12结构的γ'-(Ni3(Al, Ti, Nb))沉淀相，γ'相的数量、尺寸、分布和反相畴界能对合金的强化机制起着关键性的作用，一般情况下提高γ'相含量和反相畴界能会增加合金的强化效果从而提高服役温度。除了上述主要元素外，涡轮盘用变形高温合金中还会添加C、B和Zr等微量元素，这些元素不仅能形成细小的碳化物和硼化物，起到强化作用，还能偏聚到晶界处，提高晶界的结合力，改善合金的中温脆性，协同提高合金的强韧性。涡轮盘用变形高温合金设计思路是通过高合金化，使固溶强化、沉淀强化和晶界强韧化等传统的强韧化效果提升，从而使合金热加工后获得优异的使役性能。
图1镍基高温合金中的合金化元素[10]
Fig.1Alloying elements present in nickel-based superalloys[10]
目前，国内研制应用的典型涡轮盘用变形高温合金的名义成分和特征参数分别如表1[11~14]和2[15]所示。GH4065合金是在René88DT合金的基础上进行了改良[16]，降低了C元素的含量，固溶强化元素含量较高，γ'相形成元素含量比U720Li低，γ'相溶解温度约为1113℃，允许加入少量的Fe，所以该合金的热加工性能明显优于U720Li合金；GH4065合金中Al和Ti等γ'相形成元素的含量比GH4169合金明显增多，所以含有更多的γ'相；GH4065合金中固溶元素W + Mo的含量(8.0%，质量分数，下同)相对较高，该合金在700℃仍然具有优异的强度、抗蠕变和抗氧化性。GH4720Li合金与美国的U720Li合金成分相近，该合金在U720合金的基础上降低了间隙原子C和B等元素的含量，减小了针状碳化物和硼化物的析出，降低了疲劳裂纹敏感性；合金中的Cr含量在15%左右，避免长期使用过程中形成σ相，由于Al + Ti含量高达7.5%，所以该合金在中温服役温度区间γ'相接近50%，通过热加工调控后合金中的γ'相呈多尺度分布，使GH4720Li合金具备优异的综合力学性能；GH4065和GH4720Li合金由于含有15%左右的Cr，氧化过程中表面能够形成一层Cr2O3膜，使合金在750℃以下均属于完全抗氧化级别。GH4068合金的Al + Ti含量接近8.0%，并且Ti/Al比高于U720Li合金，提高了γ'相的反相畴界能，阻碍了位错等缺陷的运动，同时通过调控该合金中Co和Ta元素的含量(Co + Ta = 25%~27%)，降低了合金的层错能，增加了中温区服役过程中层错或微孪晶的体积分数，使层错/微孪晶等缺陷相互交割产生强化效果，形成“孪生强化”[17,18]。因此，GH4068合金的承温能力比U720Li合金提高了30℃以上，该合金有望成为高性能航空发动机涡轮盘材料。
表1典型航空发动机涡轮盘用变形高温合金的名义成分[11~14](mass fraction / %)
Table 1
表2典型航空发动机涡轮盘用变形高温合金的特征参数[15]
Table 2
几种涡轮盘用合金的蠕变机制如图12[48]所示。在低温高应力下，1/2<110>位错对切入γ'相形成反相畴界(APB)是合金的主要蠕变变形方式；低温低应力环境下，成对的位错无法像上述方式切入γ'相，而是以一根全位错在γ/γ'相界面处分解成2根不全位错切入γ'相形成层错的方式变形；随着温度的升高，位错运动加快，促使不全位错之间的层错在位错带动下不断加厚，逐渐转变成孪晶；当温度达到800℃以上时，促进位错攀移的发生，并且部分三次γ'相回溶使基体通道变宽，位错从切过γ'相转变为Orowan绕过方式变形，所以高温时蠕变变形机制以热激活位错攀移和位错绕过γ'相方式进行。从典型涡轮盘用合金的蠕变机制[49,50]可以看出，γ'相在蠕变变形机制中起到关键性的作用，因此通过改变热处理工艺会对合金的变形机制产生较大影响。
图12几种典型合金的蠕变变形机制[48]
Fig.12Creep mechanisms of several typical disk superalloys[48]
孪生变形机制是金属材料的一种重要的强化机制，这种机制可以使合金的强度和塑性协同提高[51]。本研究团队在对GH4068等Ni-Co基合金的研究过程中发现，通过降低合金的层错能结合塑性变形，引入大量纳米孪晶是该类合金获得优异的高温强化效果的关键因素[52,53]。因此，在变形高温合金中通过对纳米孪晶界的调控，可以突破合金发展对稀贵金属的过度依赖性，解决合金成本攀升和成形困难等一系列问题。国内在通过调控层错能获得微孪晶强化，从而提升高温合金性能等方面研究已具有一定的基础[54]，该方法有望为高性能变形高温合金的发展提供新的设计思路。
在涡轮盘用合金设计方面，现有的涡轮盘用合金服役温度还很难超过800℃，为了突破这种温度瓶颈，科研人员需要充分理解欧美和俄系等合金的设计理念，揭示各种合金元素的交互作用，实现固溶强化、沉淀强化和微孪晶强化等多重强化效果。详细研究各类高温合金的变形机制也是一项具有重要意义的工作，基于变形条件以及微观组织形貌等变量，绘制出合金的变形机制图，以便充分理解各种强化理念，从而根据性能需要有针对性地去设计涡轮盘合金。通过增加Al、Ti和Nb的含量并控制Ti/Al比，来提高合金中的γ'相含量是一种最有效的提高合金承温能力的方法，在提高γ'相含量的时候需要考虑2个问题：(1) 提高合金强度的同时需要考虑合金的热稳定性，防止服役过程中产生TCP相，造成服役性能降低；(2) 合金的变形抗力大、热加工窗口小，目前工程上可制备的难变形高温合金中γ'相含量(服役温度区间)上限是55%，无法进一步提高γ'相含量。微孪晶强化是解决上述问题的有效方法之一，研发人员可以考虑通过降低合金的层错能，使合金在服役温度区间变形时产生高密度的微孪晶，这种相互交割的面曲线可以显著提高合金的强度，当温度升高到加工温度区间时，合金中γ'相回溶，变形机制转变为动态再结晶机制，所以微孪晶强化效果失去作用，因此不会存在沉淀强化引起的服役性能和加工性能的“倒置关系”。未来，沉淀强化的高钴或钴基变形高温合金也许是涡轮盘用合金的一个热门研究方向，钴基合金不仅具有优异的抗氧化性和焊接性，而且其层错能低容易实现微孪晶强化，同时该类合金具有更大的热加工窗口。
在涡轮盘热加工方面，随着各类先进制造装备的投入和工艺的改进，我国已经能够生产各类涡轮盘用难变形高温合金产品。但是，面临的主要问题是热加工成材率低和工艺稳定性差，合金坯料在冶炼、变形和热处理等各个过程中都容易由于应力导致开裂失效，使合金的制备成本提高，生产周期延长。所以必须构建涡轮盘用难变形合金的大数据库，建立精确的本构模型和开裂失效准则，合理地利用有限元方法指导实际生产，实现可视化预测，防止应力过大造成的开裂失效；在合金中添加稀土或微量元素，提高合金铸锭的纯净度，减小非金属夹杂物含量，提高晶界结合力；热加工过程中合理地设计中间退火工艺，减小坯料热应力和残余应力，调控γ'相尺寸和分布，提高坯料的热塑性，实现难变形高温合金盘件增塑成形；同时，生产过程中必须保证原材料、设备运行状态和操作工艺等方面的稳定性，尽量采用自动化操作，防止人为因素造成的工艺不稳定性。
总之，涡轮盘用高温合金的发展不是一蹴而就的过程，需要大量数据的积累，才能充分掌握和揭示合金设计和制备过程中遇到的科学问题；这也需要研制、生产和设计单位的数据共享，针对需求牵引，突破关键技术瓶颈。
,1,曲敬龙2,张北江2,杜金辉2,周亦胄1,孙晓峰1
1合金的种类
图1
图12
6总结和展望
来源--金属学报