王 凱,王東方,劉友強,楊衛(wèi)鵬,張 鵬

(西安航天發(fā)動機有限公司,陜西 西安 710100)

0 引言

以推力室、渦輪為代表的液體火箭發(fā)動機熱端部件具有可靠性要求高,啟動沖擊大,承受應力狀態(tài)復雜,服役環(huán)境的輻射、氧化和熱腐蝕強等特點,大量采用變形高溫合金制造[1-3]。自20世紀中期以來,世界各工業(yè)強國研發(fā)了一系列高溫合金及配套的熱加工工藝,將變形高溫合金使用溫度由500 ℃提升至1 000 ℃以上,部分變形高溫合金成功應用于多型液體火箭發(fā)動機中,極大地推動了航天工業(yè)的發(fā)展。隨著我國深空探測、載人航天等一系列重大工程的持續(xù)推進,大推力、高性能、低成本、可回收液體火箭發(fā)動機需求不斷提升,未來需針對液體火箭發(fā)動機服役工況,研發(fā)和改進變形高溫合金及其制造工藝[4-10]。

本文綜述了變形高溫合金國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、前沿工藝和在液體火箭發(fā)動機中的應用,結(jié)合液體火箭發(fā)動機服役工況和發(fā)展趨勢,對變形高溫合金在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的發(fā)展進行展望。

1 變形高溫合金特點及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀概述

1.1 變形高溫合金特點

高溫合金是一類以鐵、鎳、鈷為基體的耐高溫金屬材料,通常在500 ℃以上能夠承受較大復雜應力,能夠長時間在高溫、熱腐蝕、強氧化條件下服役。按成形工藝可分為變形高溫合金(我國牌號以GH開頭)、鑄造高溫合金和粉末高溫合金。變形高溫合金主要優(yōu)點如下。

1)變形高溫合金高溫瞬時強度、持久強度、抗疲勞、抗蠕變和抗熱腐蝕等性能均優(yōu)于同成分鑄造高溫合金。以高溫合金GH4169 (美國牌號Inconel718) 合金為例,其室溫抗拉強度和屈服強度比同成分鑄造高溫合金K4169高30%,延伸率高一倍以上[11-12]。

2)變形高溫合金在熱加工過程中,粗大的樹枝晶破碎,鑄態(tài)疏松和空隙被壓合,致密性、組織均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性均優(yōu)于鑄造高溫合金[13-14]。圖1為某鎳基高溫合金鑄態(tài)和熱軋后的微觀組織、斷口形貌對比。從圖1中可以看出:鑄態(tài)組織為雜亂的樹枝晶,并存在一定的疏松和空隙,經(jīng)熱軋后組織均勻性大幅提升,微觀疏松和空隙也被壓合[15]。

圖1 鑄造鎳基高溫合金與變形鎳基高溫合金微觀組織對比Fig.1 Comparison of microstructure between cast and wrought based superalloy

3)變形高溫合金能夠進行軋制、鍛造、擠壓、旋壓、沖壓等各種冷、熱變形處理,進而高效獲得各種形狀復雜、綜合性能優(yōu)異的產(chǎn)品。定向凝固或單晶鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金等雖然部分性能指標更優(yōu)異,但制造成本和技術(shù)壁壘極高,且僅適用于加工渦輪葉片等少數(shù)構(gòu)件[16]。

1.2 國外變形高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀概述

以美國、俄羅斯為代表的工業(yè)強國通過提高變形高溫合金化程度、改進熱加工工藝,研發(fā)了一大批優(yōu)質(zhì)變形高溫合金,為其國防工業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ),國外變形高溫合金發(fā)展的主要特點如下。

1)一方面通過調(diào)整Al、Ti含量增加γ′相,另一方面通過增加Nb、Ta等元素增加γ″強化相。Al、Ti、Nb等原子半徑與基體元素相差大,在室溫和中等溫度時析出沉淀相起到強化作用,高溫時溶于基體中還能起到一定的固溶強化效果。例如Udimet720(國內(nèi)相似牌號GH4702Li)合金,Al+Ti含量高達7.5%,γ′相達到40%～50%,室溫抗拉強度最高可達1 700 MPa[17-20]。

2)不斷增加W、Mo、Nb等難熔金屬元素,增強固溶強化效果,這些元素在室溫下強化效果有限,但高溫固溶強化效果穩(wěn)定,有助于提高材料的高溫強度和持久性能。例如在Inconel718基礎(chǔ)上研發(fā)的Inconel718Plus,將Fe含量由18%下降至10%,加入1%W和9%Co,并調(diào)整了Al、Ti含量,使用溫度提升了40 ℃,可在700 ℃條件下長期使用,并成功應用于R.R、GE、SIMENS等航空發(fā)動機中[21-22]。

3)美國研發(fā)了一批鈷基耐蝕高溫合金和Fe-Ni-Co基低膨脹高溫合金,典型的如Haynes188(國內(nèi)相似牌號GH5188),用于火箭發(fā)動機燃燒室和航空發(fā)動機導向葉片,在1 000 ℃仍有良好的抗腐蝕性能;Incoloy903(GH2903)合金是一種含15%Co的Fe-Ni-Co基高溫合金,在650 ℃以下膨脹系數(shù)低、彈性模量變化極小,且氫脆敏感性較低,在美國氫氧發(fā)動機中應用廣泛[23-25]。

4)采用等溫模鍛、梯度熱處理等先進熱加工工藝技術(shù)制造以渦輪盤為代表的高性能高溫合金構(gòu)件。等溫模鍛是將模具加熱到與坯料相近的溫度,以較低應變速率進行鍛造的一種加工方法,能夠成形大尺寸、復雜形狀的難變形高溫合金零件。例如通用電氣研制的鎳基沉淀強化Astroloy合金,普通模鍛成形溫度為1 170 ℃,超塑性等溫鍛造溫度可降低至930～1 060 ℃,應變抗力減小超過10倍[26-27]。

渦輪盤是航空航天發(fā)動機服役環(huán)境最惡劣的構(gòu)件,一般情況下盤轂和盤心處工作溫度相對較低,主要受較大的結(jié)構(gòu)應力,需要材料有較高的室溫或中低溫強度,而盤緣和葉片部位經(jīng)受高溫燃氣沖刷,需要材料有良好的高溫強度和持久性能。傳統(tǒng)高溫合金渦輪盤無法兼顧盤轂和葉片的高性能要求。NASA格倫研究中心采用雙重熱處理技術(shù)對ME209合金渦輪盤進行了研究(見圖2),將渦輪盤整體放入爐中,盤緣直接暴露在熱處理爐中加熱升溫速度較快,中間區(qū)域通過保溫材料與電爐隔絕,僅受邊緣材料的熱傳導作用,因而升溫速度較慢,達到了梯度熱處理效果。熱處理后的渦輪盤,心部、盤轂和盤緣處晶粒度分別為ASTM11.7、11.07、4.92(見圖3),保證心部室溫性能的前提下,盤緣位置高溫持久性能得到提升[28-29]。

1.3 我國變形高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀概述

我國自20世紀60年代以來,成功研發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的變形高溫合金,成為了繼美、英、俄外,世界上第四個擁有完整高溫合金體系的國家。我國變形高溫合金的主要特點如下。

1)20世紀80年代以前,由于我國缺少金屬鎳礦及鎳的進口途徑,研發(fā)了一批成本較低、性能優(yōu)良的鐵基高溫合金。改革開放后著重在鎳基高溫合金領(lǐng)域研發(fā)攻關(guān),而金屬鈷地殼中含量少、開采成本高,我國未在鈷基高溫合金領(lǐng)域開展大規(guī)模的研發(fā)和應用[30-31]。

2)長期以來我國缺乏大噸位壓力機和高性能等溫鍛模具材料,針對高溫合金熱成形時存在變形抗力大、變形溫度范圍窄的問題,開發(fā)了獨具特色的包套成形工藝,減少了熱加工過程中坯料散熱速率,采用普通熱鍛即可成形大尺寸、難變形高溫合金構(gòu)件。

3)由于航空、航天發(fā)動機構(gòu)件尺寸的不斷增大,必須采用更大規(guī)格的坯料才能成形大尺寸構(gòu)件,而大規(guī)格變形高溫合金鑄錠的偏析傾向大,傳統(tǒng)的單向拔長開坯工藝已難以徹底消除鑄態(tài)組織和偏析,不能滿足組織的均勻、細化要求。采用擠壓成形或反復鐓拔工藝可以提高材料的累積變形量,從而有助于提高材料的組織均勻性、碳化物的彌散分布和探傷合格率[32]。

目前我國變形高溫合金領(lǐng)域相較美、俄等工業(yè)強國的主要差距有:①我國高溫合金在氣體、雜質(zhì)元素、偏析、組織均勻性等方面的控制還有待提升,部分高品質(zhì)變形高溫合金還依賴進口。圖4為國產(chǎn)GH4169合金棒材和進口Inconel718合金棒材不同位置成分偏差、硬度偏差對比[35],從圖4中可以看出國產(chǎn)高溫合金的均勻性和一致性相較于進口材料還有較大差距。②我國高溫合金牌號繁多,給設計人員選材、科研人員深入研究、企業(yè)的批量生產(chǎn)均帶來一定的困難。③在塑性變形與組織演變規(guī)律、沉淀相與再結(jié)晶交互作用、相計算與合金成分設計、多場耦合有限元仿真等高溫合金理論和仿真分析等領(lǐng)域,還需要結(jié)合實際生產(chǎn)應用進一步研究[33-35]。

圖4 國產(chǎn)GH4169合金和進口Inconel718合金成分和 硬度均勻性對比Fig.4 Comparison of composition and hardness uniformity between domestic GH4169 and imported Inconel718 alloy

2 變形高溫合金在液體火箭發(fā)動機中的應用

2.1 液體火箭發(fā)動機各組件對高溫合金材料使用需求

液體火箭發(fā)動機熱端組件主要有推力室、燃氣發(fā)生器、渦輪及其連接機構(gòu)。推進劑經(jīng)推力室噴注器噴注、霧化、蒸發(fā)、摻混后,燃燒產(chǎn)生高溫燃氣,通常情況下推力室噴注器一側(cè)推進劑未進行充分燃燒且具有良好的主動冷卻條件,材料服役溫度沒有身部和渦輪高,但噴注器燃燒通常需要同時接觸常溫(或低溫)推進劑和強腐蝕/強氧化高溫燃氣,并須承受推進劑燃燒帶來的劇烈振動,因而噴注器材料需具備良好的高溫和低溫(或室溫)綜合性能、抗高周疲勞性能,并具備優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能。鎳基高溫合金或低膨脹鐵基高溫合金在歐美液體火箭發(fā)動機噴注器中得到了廣泛應用。

身部是液體火箭發(fā)動機中服役溫度最高的部位,通常采用再生冷卻或輻射冷卻方案。其中再生冷卻身部是將液體推進劑沿身部內(nèi)外壁之間的冷卻通道流過,將燃氣傳遞給內(nèi)壁的熱量帶走從而降低了材料服役溫度,再生冷卻身部內(nèi)壁材料須同時接觸較高溫燃氣和帶壓的常溫(或低溫)推進劑,且能夠經(jīng)塑性變形成形薄壁構(gòu)件,一般采用鐵基或鎳基固溶強化高溫合金;再生冷卻身部外壁材料服役溫度較低,但承受較大的結(jié)構(gòu)應力,可采用一般高強不銹鋼或沉淀強化高溫合金。輻射冷卻身部僅通過輻射換熱冷卻,服役溫度極高,但一般輻射冷卻身部僅用于噴管段,承受的結(jié)構(gòu)應力較小,甚至允許在材料屈服段使用,一般鎳基高溫合金在800 ℃以上沉淀強化相快速溶解,因而輻射冷卻噴管通常采用易于塑性加工的固溶強化高溫合金。

渦輪轉(zhuǎn)子是液體火箭發(fā)動機中服役環(huán)境最惡劣的構(gòu)件之一,其葉片承受高溫、高壓、高速燃氣的強力沖蝕,渦輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)使得葉片同時承受極大的離心應力,而渦輪盤心部要帶動整個渦輪泵軸系旋轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)應力較大;渦輪盤心部和葉片溫差極大,由此帶來的熱應力也非常大;此外推動渦輪盤旋轉(zhuǎn)的燃氣通常為富氧或富燃燃氣,均有較強的氧化性或熱腐蝕性。渦輪盤通常選用時效沉淀強化高溫合金制造。渦輪殼體、燃氣導管等與渦輪轉(zhuǎn)子服役氛圍接近,但僅承受高溫燃氣沖刷和內(nèi)壓力作用,結(jié)構(gòu)復雜,通常采用抗高溫氧化性能優(yōu)異并擁有較好的塑性成形和焊接工藝性的高溫合金材料。

除此之外,連接熱端構(gòu)件的緊固件、金屬密封件及部分接觸低溫推進劑的管路、閥門也經(jīng)常采用變形高溫合金。

2.2 變形高溫合金在噴注器中的應用

“土星五號”火箭二級J-2發(fā)動機、“德爾塔4”火箭一級RS-68發(fā)動機、航天飛機芯級SSME發(fā)動機、歐空局“阿麗亞娜5”火箭芯一級Vulcain發(fā)動機和日本H2火箭一級LE-7發(fā)動機推力室噴注器頂蓋、中底和部分噴嘴采用了Inconel718鎳基沉淀強化變形合金(國內(nèi)相似牌號GH4169),該合金是目前世界上應用最廣泛的高溫合金,在-253～650 ℃下具有優(yōu)異強度、持久性能和良好的抗腐蝕、抗氧化性能,短時使用溫度可達800 ℃[36-38]。

Vulcain發(fā)動機燃氣發(fā)生器殼體采用Waspaloy合金(國內(nèi)相似牌號GH4738),該合金是一種Ni-Cr-Co基沉淀強化高溫合金,在870 ℃以下具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能,815 ℃下具有較高的強度和抗疲勞性能。圖5為大量采用變形高溫合金的Vulcain發(fā)動機推力室頭部[39-40]。

2.3 變形高溫合金在推力室身部中的應用

SSME氫氧發(fā)動機燃料路預燃燒室外壁采用鎳基固溶強化變形高溫合金Inconel625(國內(nèi)相似牌號為GH3625),最高使用溫度可達950 ℃;內(nèi)壁采用鈷基固溶強化變形高溫合金Haynes188(國內(nèi)相似牌號為GH5188),在1 000 ℃仍然有良好的抗腐蝕性能。其身部噴管延伸段采用A286(國內(nèi)相似牌號GH2132)薄壁管和Inconel718外殼、結(jié)構(gòu)環(huán)焊接而成。日本H2火箭的LE-7發(fā)動機噴管延伸段上段也采用上述材料和制造方案。圖6為A286合金制造再生冷卻身部的SSME發(fā)動機和LE-7發(fā)動機[41-44]。

圖6 采用A286合金制造再生冷卻身部的SSME發(fā)動機和 LE-7發(fā)動機Fig.6 SSME and LE-7 engine manufactured with A286 alloy for regeneratively-cooled thrust chamber body

Vulcain氫氧發(fā)動機和土星五號一級火箭F-1發(fā)動機噴管延伸段則分別采用了鎳基固溶強化高溫合金Inconel600(國內(nèi)相似牌號GH3600)和鎳基沉淀硬化高溫合金InconelX-750(國內(nèi)相似牌號GH4145),兩種材料均具有較高的高溫強度,在980 ℃以下?lián)碛辛己玫目篃岣g性能[41-42]。

阿波羅登月飛船服務艙和著陸艙R-4D姿態(tài)控制發(fā)動機,推力室身部輻射冷卻噴管延伸段材料采用了L-605(國內(nèi)相似牌號GH5605)鈷基固溶強化高溫合金,該合金中Ni、Cr、W含量分別可達10%、15%和20%,在1 090 ℃以下具有優(yōu)良的抗氧化性能。圖7為采用L-605輻射冷卻噴管的R-4D發(fā)動機[43-44]。

圖7 阿波羅服務艙及R-4D姿控發(fā)動機Fig.7 R-4D attitude control engine of Apollo spacecraft service module

2.4 變形高溫合金在渦輪泵中的應用

F-1發(fā)動機渦輪盤材料為René41(國內(nèi)相似牌號GH4141),該合金是一種Ni-Cr-Co基沉淀強化變形高溫合金,在650～900 ℃下具有高強度、持久、抗疲勞、抗氧化等綜合性能。圖8為F-1發(fā)動機渦輪泵剖面圖。

圖8 F-1發(fā)動機渦輪泵Fig.8 Turbopump of F-1 engine

美國航天飛機SSME發(fā)動機渦輪盤和主軸采用Inconel718合金(GH4169),我國早期長征火箭主發(fā)動機的渦輪盤采用GH1040合金,該合金可在850 ℃條件下使用,但高溫強度一般。20世紀70年代末,經(jīng)充分論證將渦輪盤材料升級為GH4169合金,并在隨后的研制過程中將GH4169自由鍛渦輪盤毛坯改為模鍛件,可靠性大幅提升。

2.5 我國液體火箭發(fā)動機變形高溫合金應用概述

早期我國并沒有針對液體火箭發(fā)動機服役工況特點專門研制的高溫合金,且受限于材料研發(fā)和熱加工技術(shù)水平,20世紀80年代以前,我國液體火箭發(fā)動機用變形高溫合金主要以鐵基高溫合金為主,例如用于長征系列運載主發(fā)動機渦輪盤的GH1040(蘇聯(lián)相似牌號ЭИ395),用于渦輪殼體的GH1131(蘇聯(lián)相似牌號ЭП126)。這類高溫合金的熱加工性能良好,能夠適應當時國內(nèi)的塑性加工水平,但高溫強度、高溫持久、高溫抗氧化性能相較于鎳基變形高溫合金較差。進入20世紀80年代后,我國在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域逐步推廣應用和研制了一批鎳基沉淀強化高溫合金,并成功應用于新一代液氧/煤油火箭發(fā)動機中,其中最具代表性的是GH4169、GH4202合金和GH4586合金。

GH4169合金以其優(yōu)異的綜合性能成為歐美液體火箭發(fā)動機中應用最廣泛的高溫合金,但材料熱加工過程組織和性能控制難度遠大于一般鐵基高溫合金,20世紀70年代后期我國高溫合金熱加工技術(shù)水平有所提升,GH4169合金原材料和鍛件性能穩(wěn)定性逐步提升,在現(xiàn)役多型液體火箭發(fā)動機中得到了廣泛應用,有力地保障了長征系列運載火箭百余次成功發(fā)射。

GH4202合金是一種Ni-Cr基沉淀強化變形高溫合金[45],Al、Ti元素形成沉淀相強化,W、Mo元素進行固溶強化,但未加入Co、Nb等貴重金屬元素,該合金在-253～800 ℃下?lián)碛辛己玫牧W性能、抗腐蝕性能和組織穩(wěn)定性及優(yōu)異的抗富氧燃氣侵蝕性能,在新一代液氧/煤油火箭發(fā)動機燃氣彎管、渦輪殼體中廣泛使用。圖9為新一代運載火箭某型液氧/煤油發(fā)動機推力室頭部,承受高溫富氧燃氣的燃氣彎管與燃氣整流柵均采用GH4202合金[46]。

圖9 新一代運載火箭液氧/煤油發(fā)動機推力室頭部Fig.9 Thrust chamber head of the new generation launch vehicle’s liquid oxygen kerosene engine

GH4586合金是一種Ni-Cr-Co基沉淀強化變形高溫合金,合金中Al、Ti元素形成沉淀相強化,Co、Cr、W、Mo元素進行固溶強化,輔以細小碳化物補充強化,使得材料在-196～800 ℃具有較高強度和良好的抗氧化、耐腐蝕和抗燒蝕性能,短時可在850 ℃條件下使用,應用于渦輪盤、渦輪轉(zhuǎn)子等服役環(huán)境極其惡劣的零件[47-50]。圖10為新一代長載火箭某型液氧/煤油火箭發(fā)動機GH4586合金渦輪盤熱模鍛件[48]。

3 變形高溫合金在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域發(fā)展展望

近年來隨著我國航天工業(yè)的不斷發(fā)展,深空探測、載人航天等一系列重大工程持續(xù)推進,液體火箭發(fā)動機對變形高溫合金的產(chǎn)能、性能要求不斷提高。特別是以往液體火箭發(fā)動機主要承擔一次性進入空間環(huán)境任務,發(fā)動機工作時間以秒為單位計算,因而長期以來液體火箭發(fā)動機選材一般更加關(guān)注瞬時力學性能。

以SpaceX公司“獵鷹”火箭為代表的可重復使用液體火箭顛覆了以往液體火箭一次性使用的特點,可重復使用發(fā)動機的服役環(huán)境更加苛刻,除承受高溫、高壓、熱沖擊、復雜流動介質(zhì)導致的沖蝕和激振外,還要經(jīng)受重復使用帶來的力、熱、流體作用的載荷重復加卸載,以及由此引起的材料、結(jié)構(gòu)的疲勞、損傷問題,熱構(gòu)件受力長時間作用帶來的蠕變等多種失效形式并存,不同失效模式的疊加和再次使用大大增加了問題的復雜性[51-53]。發(fā)動機熱端部件必須保證多次啟動、冷熱循環(huán)、交變加載、長期服役時的可靠性,變形高溫合金的微觀缺陷尺寸和數(shù)量遠小于鑄件、焊接件和3D打印件,發(fā)動機熱端部件的關(guān)鍵零件將大量使用變形高溫合金。未來變形高溫合金在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的發(fā)展趨勢如下。

3.1 變形高溫合金的性能提升

液體火箭發(fā)動機啟動沖擊、溫度梯度、振動量級相比航空發(fā)動機和燃氣輪機更大,材料在保證低溫、高溫和常溫力學性能的同時,還需要具備耐腐蝕、抗氧化、低氫脆敏感性等特點。變形高溫合金性能特點很大程度上契合了液體火箭發(fā)動機使用需求。但我國長期以來缺乏針對液體火箭發(fā)動機用變形高溫合金的持續(xù)研發(fā)和深入研究。例如進一步提高原材料冶煉及塑性加工技術(shù)水平,進而提升高溫合金組織均勻性和性能穩(wěn)定性,能夠在提升發(fā)動機可靠性的同時降低設計冗余從而降低發(fā)動機質(zhì)量、提高推重比;而提高高溫合金自身及與其他異種材料的釬焊、熔焊工藝性,可以進一步拓展高溫合金使用范圍,解決常規(guī)材料性能裕度不足的問題。

未來大推力、高性能液體火箭發(fā)動機必然伴隨著熱端組件服役溫度的不斷提高,而可重復使用液體火箭發(fā)動機對材料特別是熱端組件材料的疲勞、蠕變、持久性能要求大幅增加[54],進一步提升變形高溫合金的高溫強度、耐熱腐蝕和高溫氧化性,以及針對液體火箭發(fā)動機服役工況的損傷容限,是未來液體火箭發(fā)動機用高溫合金的主要發(fā)展方向[55]。

3.2 進一步降低變形高溫合金成本

降低運載火箭特別是液體火箭發(fā)動機制造成本是支撐未來人類更加頻繁發(fā)射有人或無人載荷進入太空的前提,我國現(xiàn)役液體火箭發(fā)動機選用的高溫合金牌號眾多、批次多、單批次用量少,無法大規(guī)模生產(chǎn)、采購高溫合金,導致液體火箭發(fā)動機用高溫合金成本居高不下;此外受限于發(fā)動機型號多、零件種類多、批量小及制造工藝落后,大量高溫合金構(gòu)件加工過程中材料利用率低,進一步提高了零件制造成本。

高溫合金及其零件的低成本化主要有兩種途徑,一方面是研發(fā)適應液體火箭發(fā)動機服役環(huán)境的通用低成本高溫合金,減少Co、Mo、Re、Zr等貴重金屬用量的同時,使鋼廠能夠大批量生產(chǎn)同一牌號的高溫合金;另一方面可提高工藝制造水平,采用精密模鍛、精密旋壓等先進工藝,提高材料利用率和生產(chǎn)效率。

3.3 高溫合金的輕量化

推重比是火箭發(fā)動機重要指標之一,降低發(fā)動機質(zhì)量可提高火箭有效載荷,因高溫合金密度高、在液體火箭發(fā)動機中用量大,研發(fā)低密度高溫合金是實現(xiàn)液體火箭輕量化的有效手段。此外以渦輪轉(zhuǎn)子為代表的高速轉(zhuǎn)動件是液體火箭發(fā)動機中服役工況最惡劣的部件,工作過程每分鐘轉(zhuǎn)速高達數(shù)萬轉(zhuǎn),渦輪葉片承受的離心應力極大,降低葉片的質(zhì)量還可以減小葉片服役時的離心力。

傳統(tǒng)高溫合金以Ni、Fe為基體,同時加入大量W、Mo、Co、Nb等難熔重金屬元素以實現(xiàn)固溶強化,使得材料密度高于普通合金鋼和鈦合金、鋁合金等有色金屬。實現(xiàn)高溫合金輕量化的根本途徑是顛覆現(xiàn)有高溫合金的基體成分,以NiAl、TiAl合金為代表的金屬間化合物能夠在700～900 ℃下使用,擁有良好的比強度、比剛度、比模量和抗高溫氧化性,其密度僅為傳統(tǒng)高溫合金的50%～60%,美國GE公司、日本三菱公司等均研制和生產(chǎn)了用于航空發(fā)動機的TiAl合金葉片,但由于材料塑性較低,目前尚未大規(guī)模推廣應用,TiAl合金中加入Nb、Mn、V等元素后,可進一步提高材料使用溫度和塑性,有望在未來航空、航天領(lǐng)域熱端部件中得到應用。

4 結(jié)論

1)變形高溫合金擁有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、抗熱腐蝕性能和良好的冷、熱加工性能,世界各工業(yè)強國通過提高變形高溫合金的合金化程度、改進熱加工工藝,大幅提升了變形高溫合金的性能。

2)變形高溫合金在液體火箭發(fā)動機推力室噴注器、身部、渦輪泵中得到了廣泛的應用,土星五號F-1發(fā)動機、航天飛機SSME發(fā)動機等知名液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵零部件均大量使用變形高溫合金,我國針對新一代運載火箭液氧/煤油發(fā)動機服役需求也研發(fā)了一批高性能鎳基高溫合金。

3) 隨著我國大推力、高性能、低成本、可回收液體火箭發(fā)動機需求不斷提升,變形高溫合金及其熱加工工藝應著重在提高損傷容限、降低成本和輕量化方面加強研發(fā)。