飛機發動機用的高溫合金的強化方法及熱處理的探討
所屬學院 航空裝備維修工程學院
專 業 飛機維修
班 級 飛機1201
學 號 XX00xx
姓 名 邱xx
指導老師 鄧xx
XX年 05月30日
誠 信 聲 明
本人鄭重宣告：所呈交的畢業設計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。盡我所知，除了設計（論文）中特別加以標註和致謝的地方外，不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果。本人完全意識到本宣告的法律結果由本人承擔。
畢業設計者簽名：
年 月 日
XX屆畢業生畢業設計任務書
專業：飛機維修班級：飛機1201學號：XX00xxx 姓名：邱xx
一、畢業設計題目
飛機發動機用的高溫合金的強化方法及熱處理探討
二、畢業設計內容
(a)摘要
此文是飛機維修專業學生畢業論文。通過對航空事故中與發動機有關的事故分析，和在發動機上使用的合金要求，來探討其發動機用的高溫合金的強化方法及熱處理。
(b)正文
一．航空材料是航空工業主要基礎
二. 航空事故中與發動機有關的事故分析
三. 合金介紹及航空發動機高溫合金使用種類
四. 飛機用的發動機高溫合金強化方法及熱處理
三、畢業設計要求
1. 中心論點明確、
2. 章節層次分明、
3. 語言精練簡潔、
4. 條理清晰明朗。
四、聯絡資訊
1.指導教師空間賬號：
聯絡電話：15973xxxx
2.學生空間賬號：
學生簽名： 邱xx 指導教師簽名：鄧xx
XX年5月30日 XX年12 月 30日
目錄
摘要…………………………………………………………………1
第一章 航空材料是航空工業主要基礎
1.1航空材料的效能要求……………………………………… 2
1.2航空產品的高可靠性、多樣性…………………………… 3
1.3發展低成本航空材料……………………………………… 3
第二章 航空發動機故障引起的飛行事故
2.1航空發動機事故事例……………………………………… 4
第三章 合金介紹及航空發動機高溫合金使用種類
3.1合金………………………………………………………… 6
3.2合金型別…………………………………………………… 6
3.2.1混合物合金………………………………………… 6
3.2.2固溶體合金………………………………………… 6
3.2.3金屬互化物合金…………………………………… 6
3.3航空發動機高溫合金使用種類…………………………… 6
3.3.1鎳基………………………………………………… 7
3.3.2鐵基………………………………………………… 7
3.3.3鈷基………………………………………………… 7
第四章 飛機用的發動機高溫合金強化方法及熱處理
4.1常用高溫合金強化手段…………………………………… 9
4.1.1固溶強化…………………………………………… 9
4.1.2沉澱強化…………………………………………… 9
4.1.3晶間強化…………………………………………… 9
4.1.4形變強化…………………………………………… 9
4.2高溫合金熱處理…………………………………………… 10
4.2.1主要內容及適用範圍……………………………… 10
4.2.2引用標準…………………………………………… 10
4.2.3常用高溫合金及熱處理規範……………………… 10
鐵基變形高溫合金………………………… 11
鎳基變形高溫合金………………………… 11
鑄造高溫合金……………………………… 12
第五章 航空熱處理的重要性
參考文獻 …………………………………………………………… 14
致謝 ………………………………………………………………… 15
飛機發動機用的高溫合金的強化方法及熱處理探討
摘要
隨著如今社會的發達，人們追求物質生活也越來越高，出行交通方式也多種多樣，然而更多的人喜歡乘坐飛機出行，因為它安全效能高，時間短。為滿足這些需求，在飛機上使用的合金材料就至關重要，特別是發動機上使用的高溫合金，因為它的使用是保證發動機在高溫下高速運轉，維持飛機飛行的前提條件。接下來，本文就是針對飛機發動機用的高溫合金的強化方法及熱處理的探討。
關鍵詞： 鎳基 鐵基 鈷基 固化強化 沉澱強化 晶間強化 形變強化
一、航空材料是航空工業主要基礎
航空材料與航空技術的關係極為密切，航空航天材料在航空產品發展中具有極其重要的地位和作用：航空材料既是研製生產航空產品的物質保障，又是推動航空產品更新換代的技術基礎。
1.1 航空產品特殊的工作環境對航空材料的效能要求集中表現在“輕質高強、高溫耐蝕”。
所謂“輕質高強”是指，要求材料的比強度高，即要求材料不但強度（靜強度高、能承受大過載、疲勞強度高）高而且密度小。航空工業有一句口號叫做“為每一克減重而奮鬥”，反映了減重對於航空產品的重大經濟意義（見表1.1）。而且材料減重對飛機減重的貢獻也越來越大，所以輕質高強是航空材料必須滿足的首要效能要求。
“高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對機身材料，氣動力加熱效應使表面溫度升高，需要結構材料具有好的高溫強度；對發動機材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強度和耐高溫腐蝕效能。
“耐蝕”是指航空材料要有優良的抗腐蝕，特別是抗應力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。 當然，除以上效能外，對某些材料還要求有其他方面的效能，如：非金屬材料要具有良好的耐老化效能和耐氣候效能；透明材料要具有良好的光學效能；電工材料具有良好的電學效能；以及防火安全效能等等。
1.2 航空產品的高可靠性、多樣性對航空材料提出了更高的質量要求。
航空器是技術密集、高整合度的複雜產品，只有採用質地優良的航空材料才能製造出安全可靠、效能優良的飛機、發動機。
航空產品的多樣性和小批量生產，導致了航空材料研製和生產上的多品種、多規格、小批量、技術質量要求高等特點。
1.3 航空產品降低成本的需求導致要發展低成本航空材料。
新型號的先進飛機價格不斷攀升，各航空技術領先的國家和地區都先後對航空產品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產品的成本和價格構成中佔有相當份額，所以科學地選材和努力發展低成本材料技術是航空材料發展的重要方向。
二、航空發動機故障引起的飛行事故
2.1 航空燃氣渦輪發動機是一種高度複雜和精密的熱力機械。為追求效能，它的工作工作溫度、壓力和轉速都很高，而且在不同部位和不同工況下不斷變化，其零件的耐溫度、應力和疲勞的能力無所不用其極。由於設計不周、試驗不足、材料瑕疵、工藝缺陷、使用欠當、環境變化或偶然因素，都有可能導致發動機故障。有時候一些難以預料的偶然因素導致的一個小零件的失效甚至可釀成災難性
的飛行事故。
據統計，在飛機機械故障中，由發動機引起的約佔一半；在發動機故障中，結構故障佔70%，；在發動機結構故障中，疲勞故障佔大部分，其中尤以高周疲勞（hcf）為甚。美國軍方在1982~1996年由於高周疲勞引起的發動機故障佔發動機a級（飛行員死亡或飛機損失在100萬美元以上）故障的56%。
1987年一年內，美國海軍損失了9架f/a-18戰鬥機，其中4架是f由於404發動機鈦合金零件著火引起的。在f404發動機投入使用6~7年而且累計飛行超過100萬小時從未發生過鈦合金零件著火，但是到了1987年卻突然冒出來嚴重影響飛行安全的嚴重問題。分析後認為，由於高壓壓氣機葉片在外來物沖刷下磨蝕，自振頻率有所改變，在某些工況下引起葉片斷裂。碎片卡在鈦合金轉子葉片和機匣之間摩擦生熱，引起鈦合金自燃。改進的措施是對葉片進行加強和調頻，鈦合金壓氣機機匣改為合金鋼製造，外涵機匣改為pmr15樹脂基複合材料。
1990年年底，f101發動機連續兩次發生風扇葉片鎖緊用的卡環折斷，造成風扇葉片脫落引起發動機著火，使得美國空軍97架b-1b轟炸機兩次停飛，未能參與1991年1月17日開始的"沙漠風暴"空襲行動。此時f101發動機已累計工作10萬小時。據分析，卡環折斷的原因是，風扇葉片工作一段時間被吸入的沙石磨蝕，葉型發生變化，從而改變了葉片的自振頻率，振動應力很大。如果葉片上有小的缺陷或損傷，就會使葉片折斷，只要有一個葉片折斷，轉子的平衡就被破壞，轉子發生高頻振動，導致卡環斷裂，造成更多的葉片從輪盤上脫落，使發動機著火。改進的措施是通過更換材料和加大尺寸加固卡環、在風扇根部加裝減振塊和後來的對葉片表面進行鐳射衝擊強化處理。
僅1994年7~9月的兩個月，就有4架安裝f110發動機的f-16戰鬥機墜毀，造成350架f-16飛機停飛。經研究後發現，事故的原因是發動機高壓渦輪軸後端的封嚴蓖齒環斷裂，斷裂的碎片打壞低壓渦輪，最終造成發動機損壞。實際上，早在1988年就有一架裝備f101發動機的b-1b轟炸機也是由於發動機高壓渦輪軸後端的封嚴環斷裂而失事。當時認為是由於蓖齒間隙留得不夠而造成的。因此，從1989年起，新生產的發動機的蓖齒間隙加大了兩倍。這次f-16飛機事故發生後，發現是蓖齒間隙過大引起封嚴環斷裂。於是，又恢復到原來的間隙，並改換了減振襯套。f110發動機是在1985年投入使用的。
三、 合金介紹及航空發動機高溫合金使用種類
3.1 合金
合金是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一，在商朝（距今3000多年前）青銅（銅錫合金）工藝就已非常發達；公元前6世紀左右（春秋晚期）已鍛打（還進行過熱處理）出鋒利的劍(鋼製品)。
3.2 合金型別
3.2.1 混合物合金（共熔混合物），當液態合金凝固時，構成合金的各組分分別結晶而成的合金，如焊錫、鉍鎘合金等；
3.2.2 固熔體合金，當液態合金凝固時形成固溶體的合金，如金銀合金等；
3.2.3 金屬互化物合金，各組分相互形成化合物的合金，如銅、鋅組成的黃銅（β-黃銅、γ-黃銅和ε-黃銅）等。
合金的許多效能優於純金屬，故在應用材料中大多使用合金(參看鐵合金、不鏽鋼)。
3.3航空發動機高溫合金使用種類
高溫合金三個主要型別：
鐵基高溫合金是18-8奧氏體不鏽鋼基礎上發展起來的，使用溫度比鎳合金合金低，在600--800度範圍內，有較好的綜合性能，可作為燃氣輪機中工作溫度在750度左右的結構材料。鎳基高溫合金廣泛用於製造航空發動機各類燃氣輪機的最熱端部件。目前鎳基合金能承受的最高溫度為1000度左右，是高溫合金中的最重要材料。鈷基高溫合金的組織穩定性好，導熱性比鎳基合金稍高，而熱膨脹性係數較低，因此對製作長壽命得而靜載部件或承受熱疲勞的大構件都有很高價值。
3.3.1 鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代後期開始研製的。英國於1941年首先生產出鎳基合金nimonic 75(ni-20cr-0.4ti)；為了提高蠕變強度又新增鋁，研製出nimonic 80(ni-20cr-2.5ti-1.3al)。美國於40年代中期，蘇聯於40年代後期，中國於50年代中期也研製出鎳基合金。鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初，真空熔鍊技術的發展，為煉製含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代後期，由於渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，於是採用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出效能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕效能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。
3.3.2 鐵基高溫合金是從奧氏體不鏽鋼發展起來的。40年代，發現在18-8型不鏽鋼中加入鉬、鈮、鈦等元素可提高這種鋼在500～700℃條件下的持久強度，從而製成以美國牌號 16-25-6(fe-25ni-16cr-6mo)為代表的加工硬化型奧氏體耐熱鋼。為了適應航空工業對耐高溫材料的需要，發展出一系列沉澱強化型fe-ni-cr系、fe-ni-co-cr系高溫合金，如a286、incoloy 901等。第二次世界大戰期間，德、日等國迫於戰爭需要和鎳資源缺乏,發展出fe-cr-mn系、fe-ni-cr-mn系高溫合金。這樣就逐步形成鐵基高溫合金系列。50年代，美國為節約鎳資源還研製出無鎳的af-71(fe-cr-mn系)合金,用於製造燃氣輪機部件。中國結合本國資源條件，於50年代末開始研製鐵基合金，發展出一系列fe-ni-cr系固溶強化型、沉澱強化型的高溫合金,如gh140、gh130、gh135、k13、k14等。
3.3.3 20世紀30年代末期，由於活塞式航空發動機用渦輪增壓器的需要，開始研製鈷基高溫合金。1942年﹐美國首先用牙科金屬材料vitallium (co-27cr-5mo-0.5ti)製作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過程中這種合金不
斷析出碳化物相而變脆。因此﹐把合金的含碳量降至0.3%，同時新增2.6%的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發展成為ha-21合金。40年代末，x-40和ha-21製作航空噴氣發動機和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導向葉片，其工作溫度可達850-870℃。1953年出現的用作鍛造渦輪葉片的s-816，是用多種難熔元素固溶強化的合金。從50年代後期到60年代末，美國曾廣泛使用過4種鑄造鈷基合金：wi-52，x-45，mar-m509和fsx-414。變形鈷基合金多為板材，如l-605用於製作燃燒室和導管。1966年出現的ha-188，因其中含鑭而改善了抗氧化效能。蘇聯用於製作導向葉片的鈷基合金∏k4﹐相當於ha-21。鈷基合金的發展應考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，以致鈷基合金的發展受到限制。
四、飛機用的發動機高溫合金強化方法及熱處理
4.1 常用的高溫合金強化手段有以下四種方法：
4.1.1 固化強化
固溶強化型高溫合金的主要熱處理方式是固溶處理。合金元素在金屬中產生固溶強化作用的先決條件是在基體中有一定的溶解度，從而改變了基體點陣常數，點陣常數的變化誰固溶強化效果的顯著標志。固溶強化型高溫合金，時效不能強化（或時效強化傾向不明顯）典型的牌號如gh30、gh39、gh43等。
4.1.2 沉澱強化
利用碳化物相或金屬間化合物相時效析出，引起沉澱強化。主要靠碳化物相強化的典型牌號如gh36等，主要靠金屬間化合物相強化的典型牌號是gh132、gh135等。沉澱型高溫合金的熱處理是1050℃~1200℃固溶處理後經600℃~800℃時效。
4.1.3 晶間強化
加入微量的硼，鋯稀土等元素，其目的可以淨化晶界，與有害雜質形成高熔點的化合物，減少晶界缺陷。使合金元素在晶界上的擴散程度降低，從而提高合金的熱強性。
適當的熱處理。晶界碳化物型別和分佈狀態與合金成分，熱處理狀態有關，因而對鋼的效能有所影響。
4.1.4 形變強化
形變強化往往與熱處理密切配合，故常稱之“形變熱處理”。形變熱處理是一種強化合金的手段，即通過變形來影響合金內部的組織結構（如晶粒細化，晶界狀態的改變，嵌鑲塊破碎、位錯和其他晶體缺陷的密佈分佈情況的改變以及強化相均勻彌散的析出等）來達到。根據變形溫度的高低，高溫合金的形變熱處理可以分為下述三類：室溫形變熱處理（冷加工強化）、中溫形變熱處理（亦稱半熱硬化或溫加工強化）、高溫形變熱處理（熱加工強化）。
4.2 高溫合金熱處理
4.2.1主題內容與適用範圍
本標準規定了高溫合金的熱處理裝置，工藝、工藝材料，工藝過程的控制及質量檢驗等。
本標準適用於常用高溫合金的熱處理。專用技術檔案或訂貨合同另有規定者除外。
4.2.2 引用標準
gbn 175高溫合金牌號
gb 228金屬拉伸試驗法
gb 230金屬洛氏硬度試驗方法
gb 231金屬布氏硬度試驗方法
gb 6395金屬高溫拉伸持久試驗方法
gb 7232金屬熱處理工藝術語
gb 9452熱處理爐有效加熱區測定方法
gb 10066.1電熱裝置的試驗方法 通用部分
gb 10067.1電熱裝置基本技術條件 第一部分 通用部分
gb 10067.4電熱裝置基本技術條件 第四部分 間接電阻爐
4.2.3 常用高溫合金及熱處理規範
常用高溫合金牌號及化學成分按 gbn 175 規定。
常用鐵基變形高溫合金熱處理規範按表 1 規定。
常用鎳基變形高溫合金規範處理按表2規定。
鑄造高溫合金熱處理按表3規定。
五、航空熱處理的重要性
航空熱處理是航空產品效能和質量的重要保證之一。航空產品高效能和安全可靠的特點，要求其熱處理應嚴格、精確、穩定。為此，首要條件是建立完整的航空熱處理標準體系和齊全的航空熱處理標準，從而規範航空熱處理生產，這是航空熱處理標準特點之一。航空熱處理標準另一個特點是適用性和可操作性強，熱處理工藝引數、裝置與工藝材料要求、質量控制和檢驗等方面都規定得很具體、細緻，航空企業熱處理生產、規劃發展、技術改造都認真按標準進行。航空熱處理為適應航空新材料和精密製造技術發展，大量採用了先進熱處理技術，並以航空標準形式總結反映出來；同時，改革開放以來航空工業在國際合作中消化吸收了國外先進標準，所以航空熱處理標準第三個特點是具有先進性。航空熱處理標準共分6大類： 熱處理基礎標準、質量控制與檢驗標準、材料熱處理標準、表面和化學熱處理標準、特種熱處理標準、工藝材料標準。
總之航空材料熱處理是重中之重。
參考文獻：
1.劉xx.《航空材料及熱處理》.國防工業出版社.
2.龍xx.航空發動機故障引起的飛行事故及其對策.超級大本營，論壇，軍事版.
3.徐xx.《耐熱鋼及高溫合金生產加工及應用手冊》.冶金工業出版社.
4.王xx.《航空熱處理標準手冊》.航空工業出版社.
5.佚名.《機械行業標準高溫合金熱處理》.機械科學研究院出版社.
致謝
歷時將近兩個月的時間終於將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師—鄧嵐老師，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查詢資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支援與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最衷心的感謝！
感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發，我將很難完成本篇論文的寫作。
感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫和排版過程中提供熱情的幫助。
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