航空发动机用高温合金的铸造、锻造工艺

前言

原文限于篇幅，没有包含加工工艺。本文作为补充内容，介绍航空用高温合金的加工工艺，包括铸造工艺、锻造工艺，以及铸件、锻件在航空发动机零部件的应用。

注：高温合金原材料的加工还有熔炼工艺，可以参考转发的文章

镍基合金VIM+ESR+VAR三大熔炼工艺简析 (qq.com)

铸造工艺

航空发动机零件使用最多的是熔模铸造工艺，特点是可以获得最终尺寸的零件，并且成本相对较低。但是铸件常见问题如气孔、偏析等，机械性能无法跟锻件相比。

航空发动机中，使用铸件的零部件有涡轮叶片、风扇框架等，主要的制造工艺是：真空感应熔炼、铸造、机加、精整。

从显微组织结构上看，铸件可分为3大类：

等轴晶铸件，主要用于制造低压涡轮零部件。工艺的特点是液态金属的凝固速率只受限于膜壳的散热能力。为了控制热量损失的速率，膜壳通常都是绝热的。所获得的铸件产品是多晶体结构，晶粒生长方向也是随机的。

定向凝固，主要也是用于制造低压涡轮零部件。基本原理是使用冷却机构从一端吸收热量，使得铸件只沿着一个方向凝固。

单晶凝固是铸造工艺的特殊应用，只用于承受最高温度的应用，比如高压涡轮叶片，燃烧室零部件等。其原理跟定向凝固相同，控制凝固温度梯度；区别是单晶需要使用籽晶，使得液态金属凝固时，能够沿着择优晶向生长，最终获得只有一个晶粒的产品。当今世界上先进的发动机高压涡轮叶片都是100%单晶。什么时候开始的呢？30年前！

单晶炉示意图：

高温合金由于其合金化元素超过10种以上，最常见的问题第一个就是偏析，所以，高温合金必须通过均匀化热处理消除偏析。当合金锭偏析严重无法消除时，可以使用粉末冶金技术，但缺点是成本较高。如下图，单晶叶片配粉末盘。

锻造工艺

航空发动机中，使用锻件的零部件有盘、鼓筒轴、风扇和压气机叶片等，主要的制造工艺是：熔炼、转坯、锻造、机加、精整。

本文以盘类加工为例。高温合金盘类零件通常在亚固溶或者过固溶条件下进行等温锻或者热模锻工艺。为了确保锻件质量，要求每个零件必须用相同的工艺，并通过高灵敏度的超声检测方法进行探伤。

人们想尽各种方法去提高盘件的性能，其中有一个非常有意思的问题：能不能在盘的不同区域按照需要锻造出不同的结构？（当然，回答这个问题之前，先要搞清楚，什么样的结构对应于什么样的性能。）一些先进的盘类锻造技术被开发出来，可以按照合金成分、盘的几何形状进行局部锻造工艺。产品的特点是不同区域的晶粒度不一样，盘心细晶、边缘粗晶。如果锻造时再配合一定的热处理工艺，不同区域的显微组织结构也不一样。

另一方面，随着发动机的直径越来越大，高温合金盘的尺寸也从150mm增加到超过了800mm。这种“尺寸效应”对锻造工艺带来了新的挑战，要评估的内容比较多，比如不同晶粒尺寸的影响、机加性能、抗变形能力（如下图）、热处理参数（尤其是冷却速率）、惯性摩擦焊的焊接性能，等等。

零件制造

最后提一下零件制造，区别于铸件、锻件原材料，是指在原材料的基础上进行的再加工。航空发动机零件主要的制造工序比如：成型、机加、焊接、热处理、机加、精整、无损检测。其中，机加工序工作量占比最高，焊接、热处理等热工艺影响最大。航空发动机中此类零件非常多，复杂结构的比如框架、各类机匣等。

文章来源：航空制造人