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GH4169 的航空航天增材制造

GH4169 的航空航天增材制造

追求極限永遠(yuǎn)是航空航天領(lǐng)域的主題

商業(yè)方面：一對發(fā)動機(jī)的動力能讓一架大型噴氣式客機(jī)往返于大洋彼岸。

軍事方面：戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行關(guān)鍵防御任務(wù)時(shí)非常依賴發(fā)動機(jī)的峰值性能。

航天方面：大推力發(fā)動機(jī)對于人類探索太空至關(guān)重要。

發(fā)動機(jī)的燃油效率和可靠性是驅(qū)動新型發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的底層邏輯，TC4（鈦合金）和GH4169等高性能、高價(jià)值材料制備的復(fù)雜部件是保證底層邏輯正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動機(jī)性能提出更高要求，新型發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)改型成為世界各強(qiáng)國的研究熱點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)加工方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了幾十年的論證、實(shí)施、改進(jìn)，可以說在傳統(tǒng)加工能力范圍內(nèi)，已經(jīng)是接近完美的方案。如果沒有革命性的技術(shù)突破，改型工作很難有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。——這就是十年前我國航空航天人的真實(shí)處境。可以想象，這代航空航天人在次接觸金屬增材制造技術(shù)時(shí)，內(nèi)心是多么的激動。

高溫合金讓發(fā)動機(jī)的效率更高

高溫合金，國外叫Super Alloy，直譯超級合金。

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。

卡諾循環(huán)

卡諾定理指出熱源溫度越高循環(huán)熱效率越高。也就是說運(yùn)行更熱的發(fā)動機(jī)可以提高能源效率，從而提高燃油效率。

為此，航空航天工程師用高溫合金制造渦輪反應(yīng)器的高溫部件，它們可以在極端環(huán)境中承受很高的機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，同時(shí)保持穩(wěn)定、耐腐蝕和抗蠕變。

超級合金可承受極端條件

鎳鐵基超級合金特別適合在需要抗蠕變、腐蝕和熱沖擊性的高溫環(huán)境中使用。通常，它們可以通過固溶強(qiáng)化或金屬基體中金屬間化合物的沉淀來硬化。

GH4169占世界高溫合金噸位一半

GH4169 是高溫合金的主力、熱結(jié)構(gòu)航空航天應(yīng)用的基石

GH4169于1965 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，相對較新，但如今已廣泛使用。

GH4169是世界上占主導(dǎo)地位的高溫合金，約占世界噸位的一半，它可以在 600°C 以上永久使用，具有良好的蠕變、斷裂強(qiáng)度、高抗疲勞性，并在高溫下具有耐腐蝕性。

GH4169在飛機(jī)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的重量占比在 50% 以上，是壓氣機(jī)高壓段的圓盤、葉片、外殼、渦輪部分的部分葉片的主要材料。

GH4169不僅高溫性能優(yōu)異，在低溫下同樣具有良好的韌性（防止零件發(fā)生脆性斷裂），因此還在火箭發(fā)動機(jī)和其他低溫工況找到了多種應(yīng)用。

GH4169的楊氏模量幾乎是鈦合金Ti6Al4V(TC4) 的兩倍，與非合金可硬化碳鋼 (45號鋼) 相似。

關(guān)于楊氏模量

（1）楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。

（2）楊氏模量只與材料的化學(xué)成分有關(guān)，與其組織變化無關(guān)，與熱處理狀態(tài)無關(guān)。

（3）各種鋼的彈性模量差別很小，金屬合金化對其彈性模量影響也很小。

（4）楊氏模量的大小標(biāo)志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生形變。

GH4169鐵含量高，降低合金成本

（1）GH4169內(nèi)含有大量的鐵，降低了每公斤的價(jià)格，同時(shí)賦予了它沉淀硬化的效果。

（2）鐵在基體中的低遷移率賦予主要強(qiáng)化相 (γ”) 緩慢的析出動力學(xué)，從而降低對焊后開裂的敏感性。如果遷移/擴(kuò)散速率高，則很容易在焊縫和熱影響區(qū)形成合金元素偏析，導(dǎo)致容易出現(xiàn)裂紋。GH4169的焊接性能良好。

（3）特定的合金元素賦予GH4169在高達(dá) 1000°C時(shí)仍然具有良好的耐腐蝕性。鎳可用于對抗氯離子應(yīng)力腐蝕開裂，并在多種酸度和堿度范圍內(nèi)防止許多無機(jī)和有機(jī)氧化化合物的腐蝕。鉻賦予了抵御氧化介質(zhì)和硫化合物侵蝕的能力，而鉬則可以提高對點(diǎn)蝕的抵抗力。

GH4169可定制力學(xué)性能

熱處理釋放了GH4169的潛力

通過不同的熱處理可以獲得不同的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得不同的力學(xué)性能和硬度。

GH4169的強(qiáng)化原理

兩種強(qiáng)化模式相結(jié)合：

（1）固溶強(qiáng)化（鐵、鉻、鉬和鈮的原子可以替代金屬基體中的鎳）；

（2）有序金屬間相 γ’ 和 γ” 的沉淀硬化；

GH4169必須首先升到較高溫度，以確保時(shí)效成分（鋁、鈦和鈮）溶解在基體中—所謂的固溶。之后，在較低溫度下保溫（所謂時(shí)效）時(shí)，會析出各種相，相的種類和多少，對合金的力學(xué)性能，尤其是蠕變壽命影響很大，而且只有當(dāng)析出物達(dá)到影響位錯運(yùn)動的臨界尺寸時(shí)，才能提高強(qiáng)度和硬度?？傊珿H4169合金含有多種金屬元素，這些金屬元素在不同溫度條件下的相互作用是極其復(fù)雜的，AMLetters在這里不做過多論述。

GH4169的溫度局限650℃

每種材料都有局限，對于GH4169來說，這個(gè)局限是650℃。

當(dāng)要求GH4169制備的零件在工況條件下具備抵抗應(yīng)力和蠕變等能力時(shí)，工況溫度應(yīng)該被限制在 650°C 以下，因?yàn)閬喎€(wěn)定的 γ” 在該溫度或高于該溫度的長時(shí)間暴露下會迅速發(fā)生過度時(shí)效現(xiàn)象。

γ′′快速粗化，從共格的盤狀γ′′相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的板狀δ相（Ni3Nb），微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變使強(qiáng)度迅速降低，終因蠕變而失效，導(dǎo)致不可預(yù)估的事故。

GH4169加工4大難點(diǎn)

：加工硬化傾向大

比如GH4169未強(qiáng)化處理的基體硬度約為HRC37，切削以后，表面產(chǎn)生0.03mm左右的硬化層，硬度增加到HRC47，硬化程度高達(dá)27%。而加工硬化現(xiàn)象對刀具的壽命有很大的影響，通常會使刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的邊界磨損。

第二：切削力大

高溫合金的強(qiáng)度比燃?xì)廨啓C(jī)上常用的合金鋼材料還要高出30%以上。一般來講，材料隨著溫度的升高，強(qiáng)度會下降，但在600℃左右，鎳基高溫合金的強(qiáng)度仍然遠(yuǎn)高于普通的合金鋼。未強(qiáng)化處理的高溫合金的單位切削力可以達(dá)到4000N/mm^2，而普通合金鋼只有2500N/mm^2，高溫合金的切削力為普通合金鋼的1.6倍。

第三：導(dǎo)熱性差

切削高溫合金時(shí)會產(chǎn)生大量的切削熱，這些熱量大部分由刀具承受，在800～1000℃時(shí)，刀具很容易產(chǎn)生塑性變形，粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損。

第四：元素沖突

鎳基合金主要合金成分為Ni和Cr，另外還添加少量Mo、Ta、Nb、W等元素，但硬質(zhì)合金和高速鋼里面也都有Ta、Nb、W，這就導(dǎo)致用普通的刀具切削高溫合金時(shí)容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和磨料磨損。

加工問題與航空航天應(yīng)用中通常需要的復(fù)雜幾何形狀相結(jié)合，導(dǎo)致這類部件的制造通常困難且成本高昂。

GH4169鑄造局限疏松偏析

GH4169的高機(jī)械強(qiáng)度和硬度限制了其加工性，即使在高溫下也是如此。

在沒有金屬3D打印技術(shù)前，許多復(fù)雜零件往往通過熔模鑄造生產(chǎn)。我國將高溫合金分為變形高溫合金與鑄造高溫合金兩大類型，與變形高溫合金GH4169對應(yīng)的鑄造高溫合金牌號為K4169。

《中國高溫合金手冊》下冊中對K4169的描述如下：

K4169是鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金。合金以γ′′為主要強(qiáng)化相、 γ′相為輔助強(qiáng)化相。合金在很寬的中、低溫度范圍(-253℃～700℃)內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和塑性，優(yōu)良的耐腐蝕和耐輻照性能，以及良好的焊接和成型性能，并具有較好的抗應(yīng)變時(shí)效裂紋的性能。廣泛用于航空，航天發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆以及石油化工領(lǐng)域，適用于制作650℃以下工作的發(fā)動機(jī)葉片﹑機(jī)匣以及其他結(jié)構(gòu)件。

K4169應(yīng)用概況及特性

K4169已用于制作航空發(fā)動機(jī)燃燒室前置擴(kuò)壓器、承力環(huán)等十幾種精密鑄件，航天大推力發(fā)動機(jī)泵體機(jī)匣等精密鑄件，已批量生產(chǎn)，使用情況良好。為減輕鈮元素在枝晶間的偏析，應(yīng)嚴(yán)格控制鑄造工藝和熱處理等熱過程。用于大型結(jié)構(gòu)件時(shí)，為獲得致密和均勻的顯微組織，需采用熱等靜壓處理。通過熱等靜壓處理后，可以消除疏松，減少偏析，改善可焊性。熱等靜壓處理后采用合適的熱處理，可以提高鑄件的使用性能。

熔模鑄造的缺點(diǎn)

（1）缺陷多

容易形成氣孔、偏析和非常粗的晶粒尺寸，這會降低功能性并需要后續(xù)加工步驟，從而增加成品部件的成本。對于承力結(jié)構(gòu)件，熔模鑄造K4169需要熱等靜壓 (HIP) 以大限度地減少縮松和鑄件偏析。

（2）偏析嚴(yán)重

熔模鑄造的另一個(gè)問題是鈮元素的局部偏析，在熱處理過程中會產(chǎn)生局部硬度較高的區(qū)域。這些較硬的偏析區(qū)域會增加刀具的磨損、導(dǎo)致刀具崩刃，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢，嚴(yán)重增加制造成本。

增材制造GH4169

通過以上論述，相信大家已經(jīng)了解到傳統(tǒng)加工方式在制備復(fù)雜高溫合金零部件時(shí)存在的一些技術(shù)瓶頸，比如加工成本高昂，有些零件還必須通過鑄造等手段制備，鑄造工藝又不可避免的會引入一些缺陷，損害零件的高溫腐蝕和抗蠕變等性能。金屬增材制造SLM在不犧牲GH419優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，使零部件的加工更加方便、高效，零件復(fù)雜程度也不顯著增加加工成本，這正是航空航天領(lǐng)域大力發(fā)展金屬增材制造工藝的根本原因，它確實(shí)帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

汽車和石油化工等其他行業(yè)就不追求產(chǎn)品性能了么？也追求啊，不過考慮成本的權(quán)重更大一些。如果不考慮成本，在這些行業(yè)也有很多可以使用高溫合金的應(yīng)用場景。以前因?yàn)楣に嚭统杀镜脑虿]有這樣做，現(xiàn)在，隨著技術(shù)成熟度的提升和設(shè)備、原料成本的下降，會有越來越多的高溫合金替代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用案例出現(xiàn)。

增材制造好處多多

（1）放飛自由度：SLM為航空航天工程師帶來了更多的設(shè)計(jì)自由度，使得他們可以突破基于傳統(tǒng)制造工藝的設(shè)計(jì)思路；

（2）零件整合：根據(jù)零件特征整合組件數(shù)量，以減少后續(xù)焊接等操作；

（3）點(diǎn)陣或拓?fù)漭p量化：通過引入點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)將零件的輕量化推向極限；

（4）小化材料浪費(fèi)：傳統(tǒng)的加工方式會導(dǎo)致高比例的切削廢料，而通過SLM打印零件，絕大多數(shù)情況下原材料的浪費(fèi)要少得多；

（5）快速交付：獲得所有這些優(yōu)化的同時(shí)，還能更快的交付。