引 言
作为现代技术的组成部分的制造材料与我们的日常生活息息相关,建房,民事工程、交通工具和机器都离不开这些材料。部分材料是自然形成的,只需成形和一些处理就行了。但大部分材料都是发明创造、人工合成和重新构造的产物。今天,为满足不断增长的应用材料上的需要,材料科学家和工程师推出了金属、陶瓷和聚合材料。
二战以来,在航空技术,尤其是飞机发动机推进技术的带动下,涌现出了许多新制造材料,从高强度钛合金、高温超合金到以有机物、金属和陶瓷为基质的各种合成材料。通过新工艺和发达的制造业把这些材料变成产品。现代飞机发动机的制造依靠像活性合金的真空熔化,薄片络合、凹形和薄壁铸体的失腊浇铸和多种合成成分的组合之类的新技术。这些工艺是近40年才开始实施的。飞机发动机推进技术带动了制造材料的研究、设计和处理工艺的发展。
航空技术的进展具有很重要的社会意义。国防、交通和旅行都要依靠飞机,卫星和空间探测计划扩大了科技天地。这项技术也给一些在空间技术方面领先的国家带来了诸如就业和贸易顺差之类的经济利益。例如,1989年,美国航空工业净出口额达290亿美元,是该国其它任何工业部门净出口额的2倍。谁能在产品设计方面取得优异成绩,同时能缩短产品开发周期,提供出乎顾客意料的高质产品,谁就能在未来取得制造业的领先地位。
飞机的制造材料的开发是个广泛而复杂的话题。本文集中描述在涡轮机器性能的改进上起主要作用的涡轮盘和叶片的最新进展。对新材料和新生产方法,包括工业文化的主要变化也将进行一些讨论,从而确立飞机发动机制造业在将来全球竞争中的地位。
一、飞机发动机的研制
由于飞机发动机研制的需要,制造材料得到了一些最急需的应用。现代涡轮发动机通常在高温高压下运转,发动机组件常受制于破坏性的铁锈、氧化和腐蚀条件。这些发动机把燃烧能量转变成推进力。通过压缩前螺旋桨和压缩机气缸里的入口气体,加热燃烧室的气体并与燃料混合,点火,然后从涡轮里的这一炽热高压气体中获得能量,推动螺旋桨和压气机运转。涡轮机器的设计者精心设制发动机的热力循环,以尽可能地增加涡轮排气和螺旋桨气流的总冲量(发动机的推进力)。过去几十年里,通过增加发动机气体温度和发动机每一层级的效率进一步提高了发动机的性能。
随着涡轮盘和叶片的制造材料和加工工艺的发展,发动机性能不断提高。涡轮机叶片在涡轮盘外围生根,并沿气流通道延伸。高速涡轮气体流过涡轮机叶片翼面,从而产生上升力,并通过涡轮盘把上升力传送到驱动螺旋桨或压气机的转轴上,涡轮机盘和叶片历来是用以镍、钴和铁为基质的一类高强度、高温的超合金材料制成的。材料的开发和应用研究重点在这些合金的设计和加工处理两方面。
二、涡轮机叶片
涡轮机叶片温度超过1200℃,这一温度高于涡轮机里其它任何旋转部件的温度。一般来说,沿着翼面最主要的棱的翼展中央的表面温度最高,而翼面根部的压力最大,因为这个部位必须承受翼面的整个向心负载。叶片翼面很容易受一些潜在的故障方式影响而变得很脆弱,这些方式包括:潜伸破裂、热疲劳、外界环境对翼面主棱和翼梢的撞击。涡轮机叶片通过一个受制于磨损、高压低循环疲劳和低压振动损伤的楔形榫将负载传送到涡轮机盘上。
工程技术人员应用三种互补战术来延长叶片寿命并增强其在高温高压下运转的能力。第一种战术是运用冶金学原理得到稳定性更好、强度更大且耐高温的微观结构。第二种战术是通过设计原理来提高叶片冷却系统的有效性。从气压机里出来的冷却气体流经叶片内道,从而降低叶片温度。第三种战术是在叶片上涂一层特殊的涂料以控制外界环境对叶片材料的破坏。要实施这些战术,就需要研制新的加工和制造的方法。
涡轮机叶片是用失腊浇铸法加工制成的。首先是叶片蜡模复制品的生产(扣除固化缩误)。空心的腊模铸件里放入陶瓷型芯以形成内冷却道,将熔化了的金属通过连到外面的腊流道和腊门倒入成形的铸模内。接着,将整个铸模浸入一系列陶瓷型芯粘合液中以制成一覆盖着叶片模型和腊流道系统的外壳。然后加热,使该外壳更加牢固,并把腊熔化,将熔化了的超耐热合金倒入上述铸模的空腔中,铸件在受控条件下固化。最后,去掉外壳、型芯和流道系统,铸件经过清洗和热处理以及机床加工,然后涂上保护层,就得到了所需成品。
(1)改进了的涡轮机叶片超耐热合金
最近20年超耐热合金涡轮机叶片的合金材料化学得到了进一步的改进:得到了更好的高温加固结构,提高了外抗力,增加了可铸力,补充了先进的加工方法的优点。就常规失腊浇铸叶片来说,铸模里的熔化了的合金是在几乎没有人为调节冷凝类型的情况下自然固化的。这些情况下,叶片以一包含各方等大的金属晶粒多晶树枝状显微结构而固化。
为了获得高温保养能力,就需要由合金化学来提供瞬相高容量馏分(r',粘附铝酸镍的沉淀)以增加金属晶粒强度,提供包含碳化物和硼化物的特制的金属晶粒边界结构以避免金属晶粒边界滑动,提供涂层之间的相互渗滤釆延长保护层寿命。特殊合金的研制以不同方式利用了这些技术,并且已经取得了许多进展。
合金设计者不断努力通过增加铝、钦和耐熔元素的浓度来提高r"容量馏分。但是随着合金元素含量的增加,合金的可铸力下降,易碎相形成的危险增加。同时,由于大而孤立的相区(低共熔的r')的容量馆分增加,因此,需要延长的溶液高温热处理来产生更均匀的显微结构。70年代早期,合金设计者开始加入给以产生具有更大的延展性的金属晶粒边界结构,这一进展即提高了可铸力又增加了横向破裂的延展性,因此得到了广泛应用。
(2)定向固化
尽管在加固超耐热合金晶粒边界上花了不少功夫,但潜伸破裂最终会通过晶粒边界的碎裂形成和连结而不断扩大,最终导致分离。常规浇铸叶片的这一限制因素可用要么改变、要么消除晶粒边界这两个加工处理替代物来说明。首先,应用定向固化来获得圆柱形的晶粒结构,以消除那些垂直于叶片内主要向心应力的横向晶粒边界。圆柱晶粒叶片的定向固化是通过从叶片梢端到根部依温度梯度变化曲线使失腊浇涛体固化而获得的。用水冷却冷模把热抽出来。要么逐渐减小熔炉的动力,要么把固化中的铸件慢慢从直接固化炉中抽出来。第二个进展是单晶叶片的定向固化。这一处理方法与第一种基本相同,只不过在固化的早期应用了减少和选择晶粒的技术,以确保固体叶片从定向单晶中生长出来。
由于这类叶片很少依靠晶粒边界变化特性,所以已经为定向固化处理开发出了新合金。例如,已经减少了像硼,碳、铪和锆之类的晶粒边界加固元素的量,以改进温度性能。最新的合金保留了一些加固剂,以适应偶然的低角晶粒边界,从而增加叶片的可延长性。另外,许多合金(包括Renews,PWA1484和SMX-4)中加入了铼,以提高温度性能。铼可提高镍的熔化温度并产生阻止位错运动的“次序簇”。同时一些更新的合金含有更多起促进作用的铝和钛的成分,并利用像钇之类的稀土元素,通过增加对氧化铁屑的吸附来增强合金的抗氧化能力。现代超耐热合金确实是非常高级的化学元素的混合物,这些化学元素都是根据其在合金性能中已知的功能而精心挑选出来的。
合金的改进和失腊浇铸工序以及涡轮叶片设计的根本上的变化,三者同时并举,从而获得了更有效的叶片冷却。涡轮叶片冷却气流系统设计的发展是从简单圆柱体辐射状冷却孔开始的,现在该系统由包含湍流器和水道的复杂的蛇形管组成,这些蛇形管里可进行反弹和薄膜冷却。把陶瓷型芯放入失腊浇铸体内制成冷却管。由于定向固化过程中温度更高,暴露时间更长,所以需要使用能耐更高温度的陶瓷型芯(诸如氧化铝之类)以及型芯定位辅助物(诸如芯撑之类)来阻止型芯变形和下垂。这些叶片设计上的变化是建立在公认的热传递原理上的,确实解决了定向固化工艺问题。
(8)隔热涂层
由于在合金化学和处理工艺上已进行了最大努力的改进,所以下一步应该从隔热涂层上入手,进一步改进涡轮机叶片的性能。用等离子体沉积或物理蒸汽沉积把一薄层稳定的锆涂在叶片表面。这种隔热涂层降低了叶片底质金属的温度。因为涂层传导性差,从而减少了从高温叶面向低温叶片内部的热流量。因为叶片金属温度比周围气体温度低得多,所以通过提高气流温度或降低流过叶片的冷气流的比率就可以提高涡轮机的效率。虽然为了防止叶片过热必需使用冷却空气,但这样做也减小了发动机的推动力。像燃烧室和加力燃烧室之类的固定装置上也涂上了这些隔热层。未来隔热涂层的开发似乎将朝控制沉积过程以得到可持续耐用的完全可靠的涂层方向努力。过程控制的目标是改进涂层的粘着性,并得到一个耐压的显微沉积构造。
三、涡轮盘的研制
20世纪的70年代在提高涡轮盘工作温度和应力上做了一些尝试,得到了几种含有前所未有的r′相位高能级的合金,包括MERL76和Rene′95. 但是由于这些合金中r'成分含量高,所以很难用常规技术来对这些合金进行加工处理。锭铸件包含的偏析和易碎区太多,在盘锻造过程中会断裂。为了改进常规盘的显微结构,提高强度、延长寿命,就要对其进行锻造。
(1)粉末冶金工艺
粉末冶金工艺表示一种限制合金偏析度的方法。用雾化器来生产超合金粉末,然后通过热均衡挤压使该粉末强固。雾化器内的高速惰性气体注与超合金溶流紧密接触,并使之分裂,形成一缕精细飞沫,由于表面积比体积大得多,所以这些飞沫很,快冷却并固结。这样形成的粉末比铸锭的化学偏析长度(树枝晶臂间距)要小得多。这一特性最大限度地缩小甚或消除了易碎相。
在把超合金粉末强固成盘或钢坯初成品前,还要进一步对其进行加工和测试。中间加工步骤包括:筛分以获得理想的粉末颗粒大小分布,混和各炉粉末以减少各炉产品之间的差异。测试包括萃取的粉末沾染物的检测和强固的试样的物理成分的测量。
超合金粉末的早期应用是这样的。用热均衡挤压处理直接产生可制成盘的固体粉粒料。在热均衡挤压处理过程中,对装在成形钢壳里的粉末用加温加压气体使其粉粒产生塑性变形和粘合,以获得近理论的紧密度。
原来指望这一叫做在热均衡挤压状态下的产品造价很低的,因为其制造工序很简单,而且压密颗粒具有仅稍大于粗坯(0.25 cm级)的近全阵平面形状。这一附加的材料外壳有利于无损探伤,便于消除超合金和钢壳之间化学反应的任何产物,以及调节以后加工过程中产生的定位上的误差。
但是在热均衡挤压状态下的样品和盘元件的测试着重强调了由粉末工艺设计提出的合金设计和处理问题。尽管超合金设计和处理的焦点在于获得强度高、塑性变形周期长的材料,但在热均衡挤压状态下的材料的低循环疲劳寿命还是比期望的要低。低循环疲劳是每一主应力循环期间(例如飞机起飞和降落期间)金属材料(如飞机涡轮发动机)中原子尺度的错位和裂损。重新吸取传统的教训,所有高性能材料的设计和处理必须提供与应用需要相平衡的器材。高强度必须与良好的延展性和疲劳耐久性相平衡。
超合金材料的低循环疲劳检测表明:低循环疲劳断裂源起于由无机和有机粉末污物所引起的不规则缺陷。粉末包含各种来源的陶瓷颗粒,包括熔坯、用在雾化器的熔炼系统中的材料以及来自于气体供应线和阀门的残渣。洗涤材料,粉末处理系统中的垫圈上的磨粉流中的有机物质以悬浮空气粒子的形式进入粉末中。然后在加温操作过程中,有机粒子使周围粉末粒子溶解、挥发并染上杂质,从而破坏了强固化过程中正常的粒间粘合。
有机和无机粉末污物引起的缺陷提供了应力集中点和循环负载时粉末裂引发点。因此,所有粉末制造者进行了艰苦的努力来消除一切潜在的污染源。粉末处理在清洁的室内条件下进行,设备和钢壳的清洁工序得到了改进和标准化,强固前先对粗粉加热以去除挥发性的有机质。但是,污染源很多,有时不易辨别,很难消除,有时甚至附加的粉末清洁处理过程本身也带入了污染物。
粉末洁清问题损坏了制造系统。工程师们不得不把矛盾的测试与整个制造过程中的探伤结果结合起来。测试增加了花费而没有增加价值,对劣质材料的排斥破坏了工厂的物质流通。同时,使用期限(耐用度)管理工程师们不得不确定建立在各种材料的机械力学测试结果上的元件在使用期内的探伤周期和现场连续使用期限。
四、未来涡轮材料的发展趋势
尽管以超合金为代表的传统冶金技术的应用已成为现代涡轮材料技术发展的主要象征,人们希望将来金属材料能得到更进一步的改进。材料研制领域里的许多人希望金属间化合材料和复合材料能成为下一代高性能材料。
这些材料的技术根源大多数都比涡轮技术本身更古老。但是,材料开发者仅仅最近才开始进行持续的、精深地研究来使之成熟。直到获得设计、制造和可靠性知识的经验基础前,新材料的应用一直停留在固定的应用阶段。与以升温加固为主要措施的早期合金研制不同的是,许多这些材料的发展是通过减轻元件重量和旋转元件内的应力来实现的,另外,就合成材料而言,设计师和材料工程师有条件按元件内不同应力的分布要求来精心设计材料的特性并利用材料所固有的非均质性。
这一走向高性能轻型结构的战略战术已经在聚合物上得到了验证。聚合物本来是用来作为固定风扇和压气舱元件的轻型替代物。现在设计人员已开始把这些材料作为像风扇叶片之类的旋转元件和气缸之类的高压容器中。发动机推动力的增加引起了气流通道区和发动机进气口直径的增加。像PMR-15之类的聚合物,用高强度的石墨纤维加固后可获得重量轻、应力小而强度大的元件。复合结构和工艺方法可获得能承受像鸟碰撞之类的撞击事件的韧度。
不太成熟的金属间合成,金属质合成物和陶瓷质合成物都是低比重的材料,用来制造转轴、盘、涡轮叶片和排气元件。例如,金属间化学物铝镍涡轮叶片的重量大约比典型的超合金叶片的重量少40%。已着手在不破坏这些材料的强度和潜伸性质的前提下改进这些材料的韧性的研究,对金属基质和陶瓷基质合成物来说,如何获得可锻性和韧性也是一大问题。在正确的设计下:纤维与基质之间的粘合很弱,导致破裂偏移和纤维拉拔(韧性性能),但常与纤维外套相随的弱界面减少了横向复合力。这一限制因素通过变换每一层的纤维方向的复合结构的设计来表示。
不管推动进步的材料系统如何,常规和新颖的材料常分享共同的元件工艺并从工艺设计的改进中得利。就是说,工艺技术好比是在诸材料系统之间传播进步的桥梁。例如,由纯净熔化技术获得的粉末也可用于金属基质和金属间化合材料的生产。在制造金属基质复合物的一种方法中,粉末被等离子吹管喷撒到纤维底层上,从而制成单向加固纤维素带。同样,像一些钛铝化物一样,某些新颖的金属间材料由于韧性有限,所以很难铸锻。对这些合金来说,粉末工艺设计提供了另一种有前途的制造方法。
五、新近出现的文化变迁
全世界的制造机构都认为,随着产品技术的成熟,生产者之间的差别更多地依赖于有效的、高质量的生产,这一辨识正在改变飞机发动机制造者的工作方法。许多生产者正力求领会像材料的智能加工工艺,总的质量管理和协同工程学之类的新观念。每个新观念都包含着设计和制造产品的新视野,并须要确实成功的文化变迁。
(1)材料的智能工艺设计
1985年,材料研究者发起了一项运用数学模型、传感技术和冷制系统方法来改进材料加工工艺的大型综合研究工作。尽管过去用过这些工具,但传统的材料制造依靠的是经验式的实验方法以及工艺工程师和技师所固有的技能和经验。材料智能工艺设计力求用科学方法推导出工艺性能,并建立控制工艺性能的延伸理论。而且,材料智能工艺设计力求通过改进了的仪器设计、材料质量特性的直接测量以及于材料开发和实现全过程中研制出的自动控制对策的实现来设法运用新获得的知识。到目前为止,材料智能工艺设计方法已经成功地应用于热均衡挤压工艺产品、粉末的雾化、蓝宝石单晶金属丝的生长、金属基质和碳-石墨化合物工艺设计。材料智能工艺设计方法也被用来改进像砷单晶之类的电子材料工艺设计。
材料工艺的认识早就在工艺开发循环中通过对设计的实验的统计处理和以物理学为基础的工艺模型的公式化而建立了。得到的知识被送到工艺设计模拟器中编成密码。工艺设计传感器被用来证实工艺设计模型并被用来表示材料成品和设计好的实验的工艺条件的特性 · 模型和传感器(灵敏元件)作为后续工艺设计控制开发的基础以及开发和生产环境之间的技术转移的工具。工艺设计控制可在各种不同水平下应用。用闭路控制来消除具有短期常数的工艺故障,同时用监控装置和专家系统控制程序片模拟由工艺设计技师和工程师进行的工艺设计的校正。
例如,国家标准与技术学会和通用电气公司正在开展材料智能工艺设计的研究,以求增进气体雾化工艺设计的生产率和粉末质量。国家科学技术委员会的科学家已经用激光全息摄影术、高速摄影术和气体动力学分析来了解常规雾化过程中的熔流分离。同时,他们应用激光衍射来测定粒子大小的实时分布,并正在不断完善这一技术。雾化过程中连续不断地运用这一技术,利用所得到的数据来控制雾化气的供给并获得理想的粒子大小分布。
在通用电器公司,研究人员正在扩大这些活动,以求控制纯净熔化和后续的雾化。许多液流模型已被用来预计熔体内的温度变化和熔渣的流轨。流动模型计及所有有关的物理学,包括浮力、表面张力、熔料与气之间的界面上的剪应变、壳 · 液界面上的固化热转移。传感器通过远红外影像技术来测量熔体表面温度、熔体表面纵剖面图和熔流率。大多数控制技术上的研制活动的目的就是调节这些指令,并获得闭回路工艺设计控制中有用的关系。
(2)协同工程学
传统工艺技术,即使是对象飞机涡轮发动机之类的高级系统而言,也是顺序渐进的进行搮作的,工艺设计、材料设计和制造工艺之间有明确的界线。以一体化的产品研制著称的协同工程学则与之相反,它的目的是提供一个联络系统、一体化的方法和工艺技术方法论,以便同时进行产品设计和有关的制造工作。通过从整个产品采用和使用过程上考虑每一个决定的蕴涵,可以减少设计和制造工作上的循环次数,并缩短产品构思和采用之间的时间间隔。
(3)全面质量管理
几个飞机制造者已开始采用实行全面质量管理方法的计划,以不断地提高产品质量、生产量和其雇员的工作质量。他们采用了许多由德明(Deming)推广开的质量规则。其中心是程序思考上的聚集,加上在设计技术改进实验以及分析实验和生产数据中的统计方法的应用。而且,全面质量管理的提倡者和实行者承认,只有当一个机构内的所有成员都改变他们相互配合的方式、实行协作、检查程序、进行讨论会、测量操作效能、辨识和奖励员工时,才能得到许多所需要的改进。
结 语
尽管目前的经济状态和世界超级大国之间关系的稳定,空间技术将继续在国防、民用交通和美国出口贸易平衡中起重要作用。改进了的军用飞机、超音速民航机以及更安静、更清洁和更节油的亚音速飞机的发动机是新的尖端科技领域。如上文所述,这些高级系统依靠的是材料技术,高性能材料和工艺技术将涌现、成熟并汇入已使美国成为优秀的飞机发动机制造者的材料和工艺设计的现行大集体中。当前,可靠的技术生长和持续不断的生产竞争将很大程度上依赖于控制工艺技术的依赖于创造正在经历文化变迁、发动机的设计和制造者之间的更大的凝聚力。成功地经历这一场文化变迁的企业将成为世界级的竞争者。在今后10年的全球竞争中,光靠技术是无法取胜的。快速实现新技术并改革企业内旧的文化体制才是制胜的关键。
[Science,1992年2月28日]