金晶浴火析純相，碧葉旋光透影空

——淺談航空發(fā)動機高溫合金渦輪葉片（五、單晶合金）

上一篇發(fā)出后，有朋友被墻皮噎住了，私聊讓解釋一下定向合金中的“晶界”是什么意思。其實，研究高溫合金這等大部頭理論，兵器迷也一樣被噎個半死。晶界的概念，那是比定向合金和單晶合金更厚的墻皮。不過，既然有朋友問，就略談幾句，有不周的地方，請專業(yè)的兄弟上來接盤啊。

晶界是合金晶體的邊界，是一個相對于晶內(nèi)的概念。晶界與晶內(nèi)相比，就一個字——“亂”。比如，二者的合金點陣相比，晶界中的原子位置、間隙尺寸、排列方式，都比晶內(nèi)有些雜亂。點陣或者晶格的畸變較大，晶體的位錯和空洞也普遍存在。

在常溫狀態(tài)下，由于晶格變形可阻止晶內(nèi)滑移的貫穿，因此晶界基本不參與合金的形變（這也導(dǎo)致了常溫狀態(tài)下塑性變差的問題），并且因而有利于合金的強化。

所以結(jié)論是：在常溫下，晶界的合金強度比晶內(nèi)要高。

在高溫狀態(tài)下，就完全不同了，晶界會參與合金形變，有時晶界形變量甚至可占總形變量的50%。晶界強度隨溫度升高下降的很快。因此升溫到某一溫度區(qū)間，晶內(nèi)強度與晶界強度大致相當(dāng)。如果溫度繼續(xù)升高，晶界強度就比晶內(nèi)強度低，并在破斷時呈現(xiàn)晶間斷裂的特征。

所以結(jié)論是：在高溫蠕變下，晶界的合金強度比晶內(nèi)要低。

上一篇說過，在鑄造渦輪葉片技術(shù)的改進中，定向凝固柱晶高溫合金基本消除了橫向晶界，在主應(yīng)力軸方向提高了使用強度和疲勞壽命。但是，在橫向塑性上存在缺陷，不利于合金的加工成型。而改進的主要方式，就是加入鉿Hf、碳C、硼B(yǎng)、鋯Zr等晶界強化元素，加強高溫下晶界的強度和改善工藝性能。

有朋友問，如果有一種合金，比定向凝固柱晶合金再進一步，即在消除橫向晶界的基礎(chǔ)上，再去掉縱向晶界，是不是會更加改善合金性能呢？

科學(xué)家還真就是這么想的。普惠公司在Mar-M200定向凝固柱晶合金的基礎(chǔ)上，研發(fā)了同品牌的單晶合金，整個葉片鑄件由單純晶粒的鑄造高溫合金組成，消除晶界——這就是我們今天要談的話題：單晶高溫合金（Single Crystal Superalloy）。

圖：單晶合金消除了晶界

繼續(xù)。

1968年普惠公司的Gell和Leverant對比研究了這同一牌號兩種合金的組織和性能。然而，結(jié)果卻令人大失所望：柱晶Mar-M200相比，單晶Mar-M200的蠕變、疲勞以及抗氧化性能沒有任何提高，只是改進了橫向強度和延性。在加上當(dāng)時單晶的成品率較低，因此當(dāng)時未能獲得實際應(yīng)用。

1975年，Jackson等人在研究單晶Mar-M200（含Hf）合金時發(fā)現(xiàn)，合金在980℃的持久性與一種合金相，γ’相有關(guān)——又來了一個鬼，γ‘相。

合金相，是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的部分。γ’相是鎳基合金和很多鐵基合金的一種合金組織形態(tài)。對于鎳基合金來說，γ’相是在Ni3Al的γ基體上共格析出的金屬間化合物，與γ基體一樣都是面心立方結(jié)構(gòu)，晶體點陣常數(shù)與γ基體相近，一般相差1%以下，具有較高的組織穩(wěn)定性。

Jackson他們發(fā)現(xiàn)，細小γ’相的數(shù)量、尺寸、分布對鎳基合金的高溫強度有重要影響。具體來說，鎳基合金的高溫強度隨γ’相的體積分?jǐn)?shù)增加而增高。γ’相是鎳基高溫合金中最重要的強化相。而要想增加這種細小γ’相，關(guān)鍵就在于提高合金固溶溫度。

前面說過，Mar-M200單晶合金是含Hf的，而這種晶界強化元素（也包括碳C、硼B(yǎng)、鋯Zr）雖然改善了合金的塑性，但卻降低了合金的固溶溫度導(dǎo)致γ‘相的減少。而鎳基合金的高溫強度卻要求γ’相的體積分?jǐn)?shù)較高——這就是為什么，千辛萬苦做出的單晶合金，性能比定向凝固柱晶合金沒什么差別的根本原因。

γ’相合金第二相強化機理這一發(fā)現(xiàn)，為未來高溫合金的突破性發(fā)展打開了大門。自此之后，大量合金配方和鑄造工藝都圍繞著增加γ’相的體積分?jǐn)?shù)而進行。迄今，大多數(shù)鎳基合金中γ’相的體積分?jǐn)?shù)為30%以上，最強的合金中達60%以上，這是后話。

回頭說普惠，既然晶界強化元素對增加γ‘相不利，單晶合金又沒有晶界了，因此1980年，Gell等人根據(jù)這些研究工作, 提出了單晶高溫合金成分設(shè)計的基本原則：去除C、B、Zr、Hf等降低合金初熔溫度的晶界強化元素，提高單晶合金的初熔點，以便在更高的溫度下進行固溶處理。同時，鋁Al和鈦等元素Ti有助于形成鎳基合金的γ’相，因此鎳基合金往往會有較多體積分?jǐn)?shù)的這類元素。比如K403合金就含有5.62%的Al和2.65%的Ti。

如此，單晶合金的高溫強度優(yōu)勢終于顯露出來：單晶合金更高的初熔溫度容許合金進行充分的固溶處理，從而獲得高的蠕變強度；單晶合金沒有易成為裂紋起始位置的晶界；由于晶體取向的低彈性模量而具有高的熱疲勞抗力。

單晶合金的強化理論基礎(chǔ)弄清楚后，普惠在1980年代研制出了第一代單晶高溫合金PWA1480。其使用溫度比著名的定向合金PWA1422（復(fù)習(xí)《第四篇》）高25-50℃。PWA1480研制的單晶合金空心渦輪精鑄葉片，于從1982年開始，陸續(xù)應(yīng)用于PW2037、F-100（輪前溫度1370℃）、JT9D-7R4、T400-W和V-402等軍用和商用航空發(fā)動機，投人航線使用。單晶高溫合金從此進入一個蓬勃發(fā)展的時期。

我們耳熟能詳?shù)腇119、GE90、EJ200、M88-2、P2000等先進航空發(fā)動機都選用了單晶合金作為渦輪葉片材料。其中，F(xiàn)119推比10發(fā)動機上應(yīng)用的是第二代PWA1484單晶合金，渦輪前溫度1677°，是目前軍用航空發(fā)動機大規(guī)模工程化應(yīng)用程度最高的單晶合金。

然而，單晶合金的發(fā)展可不止兩代。迄今，國外在近四十年里，一共發(fā)展了五代單晶合金：

第一代：以美國PWA1480為代表，應(yīng)用機型代表為B747，A300。有美國CMSX-2、CMSX-3、羅羅的SRR99。

第二代：以錸（Re）元素的添加作為基礎(chǔ)，相繼研發(fā)了以PWA1484、CMSX-4G、RenéN5 、ReneN1改,等為代表的第二代單晶高溫合金，使用溫度比第一代單晶高溫合金高約30℃。其代表品牌是

PWA1484：1988年末普惠公司的PWA1484，以錸3%的錸（Re）作為固溶強化劑，鋁（Al）含量至少為5.6%，以及較高的8.7%Ta，并去除了Ti，用于PW2037，PW4000，V2500發(fā)動機使用，應(yīng)用機型B757\767\777、A300\310\320\330\A319\321。

RenéN5：用于GE90(B777/A330)和CMF56-7(B737)

CMSX-4：用于Trent800(B777)，RB211(B757)，F(xiàn)119(F22)

CMSX-4ULS:用于Trent900(A380)

第三代：以1990年代之后研發(fā)的CMSX-10、RenéN6等為代表，添加大量高熔點難熔元素，并加入了釔Y、鑭La和鈰Ce等稀土元素，以改善單晶合金的抗氧化性能，研發(fā)了使用溫度比第一代高約60℃的第三代單晶高溫合金。

CMSX-10K:用于Trent1000（B787）

CMSX-10N:用于TrentXWB (A350)

（兵器迷個人的問題：普惠哪兒去了？）

第四代和第五代：以添加釕（Ru），鉑Pt，銥Ir等元素的添加作為基礎(chǔ)，研發(fā)出MC-NG、TMS-138、等為代表的第四代和TMS-162、TMS-192等第五代單晶高溫合金。日本NRIM 研發(fā)的TMS系列在這方面是領(lǐng)先的。但是，目前尚未見到工程化應(yīng)用的資料（如果有請大家補充）。

四代和五代缺席工程化應(yīng)用，原因可能是多方面的：

1錸（Re）銣(Ru)元素等大量增加，造成合金密度較高，脆性稍高且可鑄性和工藝性稍差。

2大量難熔元素的使用，特別是錸（Re）的大量添加，使得單晶高溫合金的價格甚至倍增，以CMSX系列單晶合金為例，昂貴難熔元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，第一代為14.6%，第二代為16.4%，而第三代達到20.7%。到了第四代單晶合金，TMS-138錸的含量達5%。到了第五代單晶合金，TMS-162含錸5%，含銣6%。錸的價格約為3萬元/千克，含3%錸的第二代單晶高溫合金價格為200萬元/噸，含6%錸的第三代單晶高溫合金價格達到約300萬元/噸。這種燒錢的節(jié)奏，工程化應(yīng)用當(dāng)然受到嚴(yán)重制約。況且，錸的儲量是非常有限的，這么用下去，也不是可持續(xù)發(fā)展的健康之路，對吧（參見鄙文《娓娓道錸》）。

插一句，在地主家也沒有余糧的情況下，各合金大咖終于開始研發(fā)低錸或無錸合金了。比如：2008年，GE公司在ReneN5合金的基礎(chǔ)上研制了ReneN515(含1.5%Re)，和ReneN500無Re合金，并對ReneN515合金在一些航空發(fā)動機上進行了測試，計劃將其應(yīng)用到GEnx等發(fā)動機上。

3一個單晶合金牌號，從合金產(chǎn)品到渦輪葉片的工程化應(yīng)用，有一個漫長的試制、試用、維護過程來檢驗合金與葉片的性能與質(zhì)量，完善相應(yīng)的工藝制備（后文會詳談）。等到批量生產(chǎn)時大約需要5-10年左右的時間，有的受到應(yīng)用發(fā)動機的研制進度影響，甚至需要15年或更長的時間。

所以，有人對日本在TMS第四代和第五代單晶合金獨樹一幟的領(lǐng)先發(fā)展，非常佩服。但也有一種聲音，認為無法工程應(yīng)用的研制意義有限。

兵器迷嘛，還是中間派：

一方面，日本四代和五代代單晶合金的研發(fā)成績，還是要肯定的。美、中典型三代單晶合金的1100℃，140Mp的持久使用壽命普遍是220+小時。而日本四代的TMS-138，1100℃137Mp的持久使用壽命是399小時。日本五代的TMS-162，1100℃，137Mp的持久使用壽命是959小時——這不是先進是什么？日本第三代單晶合金TMS-75出來的時間比中國第三代單晶合金DD409早約10年，這個差距還是要承認的吧。

另一方面，日本比較尷尬的確實在于應(yīng)用。在航空發(fā)動機領(lǐng)域，日本單晶合金的大規(guī)模工程化裝機應(yīng)用在哪里，很難找到資料（有料的請多多爆來）。日本的三代單晶高溫合金TMS-75由日本國家金屬材料研究所(NRIM)開發(fā)，其成分為Ni-12Co-3Cr-2Mo-6W-6Al-6Ta-0.1Hf-5Re。看到吧，用了5%的錸啊。這么貴的合金，居然用途主要是15MW級的工業(yè)用燃汽輪機的葉片，試用沒問題，但商用太貴了。另一個三代單晶合金TMS-82含2.4%Re，性能很好但也不便宜。但如果不能大規(guī)模用在航空發(fā)動機上，大家之間就不好比了，對吧？

有朋友問，別談霓虹了，說說中國的單晶高溫合金發(fā)展情況如何呢？有沒有你說的大規(guī)模工程化應(yīng)用呢？

欲知后事如何，且聽下回分解。

注：所有資料來自于互聯(lián)網(wǎng)公開報道和公開出版物，如：

《航空鑄造渦輪葉片合金和工藝發(fā)展的回顧與展望》

《航空材料與熱處理》

《DZ125定向凝固高溫合金的研究》

《葉片用定向凝固合金和單晶合金的發(fā)展》

《高溫合金加工技術(shù)的應(yīng)用和近年來的發(fā)展》

《北京航材院鑄造高溫合金及工藝發(fā)展40年》

《定向凝固空心無余量渦輪葉片精鑄工藝的研究》

《第三代單晶高溫合金DD9》

《中國高溫合金體系的發(fā)展》

《高溫合金在航空發(fā)動機上的應(yīng)用》

《單晶高溫合金的發(fā)展》等數(shù)十篇論文和文章

本文還引用了空軍之翼和航空制造網(wǎng)…等多家網(wǎng)站的圖表，權(quán)力歸原作者所有

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