高溫結(jié)構(gòu)材料

高溫結(jié)構(gòu)材料英文名稱；hightemperaturestructurematerial檢索詞：結(jié)構(gòu)材料；高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)類別：先進(jìn)材料技術(shù);復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)材料；［定義］高溫環(huán)境條件下，使用的結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)材料主要包括先進(jìn)的高溫合金、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料、陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。［相關(guān)技術(shù)］合金；金屬間化合物；金屬基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料；碳碳復(fù)合材料［技術(shù)難點(diǎn)］［國外概況］高溫合金高溫合金是隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展需要而發(fā)展起來的一種高溫結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各國均建立了各自的高溫合金系列，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等。目前，高溫合金仍在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料中扮演主要角色，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用量約占55%左右。從發(fā)展現(xiàn)狀來看，高溫合金已從傳統(tǒng)鑄造多晶高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和變形高溫合金向單晶合金、機(jī)械合金化高溫合金、粉末冶金高溫合金和細(xì)晶鑄造合金等發(fā)展。美國和歐洲受其航空航天工業(yè)的推動(dòng)，在高溫合金領(lǐng)域居世界領(lǐng)先水平。日本最近完成了國家規(guī)模的發(fā)展高溫合金計(jì)劃，重點(diǎn)是發(fā)展單晶高溫合金，并將其用于航空航天工業(yè)。音晶合金至今已發(fā)展到第三代產(chǎn)品，主要運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片。如美國的ReneN6和CMSX-10，其銖的含量高達(dá)6%，難熔元素的總含量（Re、Ta、W、Mo）高達(dá)20%，CMSX-10蠕變強(qiáng)度是現(xiàn)有單晶合金和鎳基合金中最高的，使用溫度比第二代產(chǎn)品ReneN5和CMSX-4約高30°C，達(dá)到了1100°C。目前正在設(shè)計(jì)具有更高強(qiáng)度的CMSX-10+合金。日本研制的單晶合金TMS26的耐熱溫度比第二代產(chǎn)品PW1484高37C。迄今，世界上單晶合金的最高性能可達(dá)1125C、140MPa和100h。預(yù)計(jì)本世紀(jì)末，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片應(yīng)將主要采用單晶合金。最近，法國為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵研制了一種耐氫的鎳鐵合金THYMONE8葉片，在氫脆環(huán)境下具有高的疲勞性能?！?.6〕機(jī)械合金化高溫合金是靠添加少量氧化物彌散質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化，用機(jī)械合金化方法制備的高溫合金，主要用于制造燃燒室和渦輪葉片等，主要產(chǎn)品有英國的MA754、MA600、MA956和MA957等，新型合金有RSR185、RSR143等，使用溫度遠(yuǎn)高于定向凝固柱晶合金。但要取代單晶葉片、尚需改進(jìn)其成型和涂層工藝。粉末高溫合金主要用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤，至少粉末渦輪盤合金已發(fā)展到第三代雙性能組合盤，如美國的AF115+MERL76組合盤，AF115合金為高溫抗蠕變合金，用于高溫區(qū)，MERL76為高強(qiáng)度合金用于中低溫區(qū)，已在90年代用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)F-119上,1995美國將雙合金渦輪盤轉(zhuǎn)移到IHPTET的第2階段。俄國在米格29和31等多種發(fā)動(dòng)機(jī)上使用粉末高溫合金、目前大量使用的是第一代合金，使用溫度在700C，正在研制第二代產(chǎn)品，使用溫度為750C?！?〕金屬間化合物金屬間化合物是近年來各國均非常重視發(fā)展的一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。美國在1996年國防部關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃和1995國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃中均將其列為關(guān)鍵材料之一。德國和日本等國也有相應(yīng)的計(jì)劃。美國是第一個(gè)對(duì)金屬間化合物燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片進(jìn)行試驗(yàn)的國家，在該技術(shù)領(lǐng)域居領(lǐng)先地位，而德國、法國和日本主要工作集中在金屬間化合物的研究上，而不是應(yīng)用上。金屬間化合物的主要特點(diǎn)是耐高溫、比強(qiáng)度高和優(yōu)異的抗氧化性和耐疲勞性。當(dāng)前，國外開發(fā)和應(yīng)用研究重點(diǎn)材料有Ti23Al、TiAl、Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl和MoSi2等，近年來在Ti3Al和Ni3Al的研制方面取得突破性進(jìn)展，這兩種材料已進(jìn)入應(yīng)用階段。在NiAl、TiAl研究方面也有所突破，正在進(jìn)行某些應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，可望取得應(yīng)用成果。〔2.4〕Ti3Al的最高使用溫度達(dá)816°C，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪支承環(huán)、葉片、盤和噴管等零件。目前Ti3Al已開始進(jìn)入應(yīng)用階段，美國Timet、G.E公司和麥道公司已制成了多種發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，并成功的通過各種試車試驗(yàn)，首先在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，并擬在IHPTET、NASP等多種計(jì)劃中采用。目前批量生產(chǎn)的Ti3Al有兩種成分：Ti-21Nb-14Al-3.5V-2Mo其中以Ti-21Nb-14Al作為基體的復(fù)合材料也受到極大重視。最新研究已使其室溫性提高7%，最近美國已研制出一種性能優(yōu)于Ti3Al的Ti2AlNb，可望用于650C以下的飛機(jī)渦輪。TiAl是近年來研究的熱點(diǎn)材料，其密度僅為3.98g/cm3，使用溫度可達(dá)982?1038C，但缺點(diǎn)是室溫塑性低，研制的目標(biāo)是取代IN738LC合金。迄今，美國已研制出第二代TiAl，如快速凝固鍛造Ti-48Al-2Cr-2Nb，鑄造Ti-47Al-2Cr-2Nb和鑄造XDTi-(45-47)Al-2Mn-2Nb-0.8(VOl%)TiB2等。1993年和1994年美國GE公司對(duì)由Ti-47Al-2Cr-2Nb制造的葉片，進(jìn)行了1500次飛行循環(huán)模擬的成功試驗(yàn)，是該材料的一個(gè)里程碑，為其向?qū)嵱没~進(jìn)提供了重要的依據(jù)，采用超塑成型工藝，可制造各種復(fù)雜形狀的零件。Ti-48Al具有良好的塑性、強(qiáng)度、抗氧化性，已達(dá)到工業(yè)規(guī)模，可在700-850C應(yīng)用。最近，日本研制成功了一種含M和TiAl，室溫延伸率可達(dá)3%?！?〕Ni3Al由于添加硼和引入高溫強(qiáng)化相，已使其延伸率達(dá)到35%，已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段，主要品種有美國的DSNX188和K101B，俄國的BKHA-4H。主要用于汽輪機(jī)部件和航空航天緊固件等，日本在Ni3Al中加入0.02?0.05wt%硼，使其室溫延伸率達(dá)40?50%。NiAl合金密度低(5.9g/cm3)，熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性好，抗氧化性好，使用溫度可達(dá)1100?1200C，是制造渦輪葉片的理想材料，它可使渦輪轉(zhuǎn)子減重40%，研究目標(biāo)是替代Rene80合金(8.7g/cm3)，目前研究的困難是室溫塑性低于2%和高溫強(qiáng)度低，不具實(shí)用價(jià)值，需要突破關(guān)鍵技術(shù)。GE公司研究認(rèn)為NiAl+Heuster制成單晶可達(dá)到Rene'80合金的水平。在NiAl中添加高溫強(qiáng)化相1100?1200C的實(shí)用材料。美國擬在1995年進(jìn)行1100C單晶NiAl渦輪葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)試車?！?〕金屬間化合物存在的主要問題仍然是低溫脆性和高溫強(qiáng)度偏低，目前解決這兩個(gè)問題的主要途徑是合金化和復(fù)合化，今后需要進(jìn)一步突破這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。美國在1996年的國防部國防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)劃中要求在2000年，用金屬間化合物替代鎳基高溫合金，力求使發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重量減輕40%。陶瓷結(jié)構(gòu)材料及其復(fù)合材料高溫結(jié)構(gòu)陶瓷是唯一可在1650C以上工作，具有比金屬更高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能的低密度材料。它用于先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少或取消發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，節(jié)省能源，同時(shí)減輕總重量，是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。近年來，各國相繼制定了有關(guān)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷研制和發(fā)展計(jì)劃，并取得可喜進(jìn)展?！?0、11〕近年來，單體結(jié)構(gòu)陶瓷研究的重點(diǎn)材料包括氮化政Si3N4)、碳化硅(SiC)和氧化鋯(ZrO2)等。與傳統(tǒng)的氧化物和硼化物相比，它們具有較高強(qiáng)度、較高的熱震抗力和較高的可靠性。并且能夠制造出復(fù)雜形狀的零件，美國在一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)如AGT101的轉(zhuǎn)子、靜子和燃燒器等方面使用了陶瓷材料，如反應(yīng)燒結(jié)Si3N4、無壓燒結(jié)SiC、反應(yīng)燒結(jié)SiC，最高溫度達(dá)1371Co在MIAI坦克上的烯氣輪機(jī)上采用陶瓷渦輪葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提高到1200C，熱效率提高45%，節(jié)省燃料30%，并提高了坦克的機(jī)動(dòng)性能。俄羅斯在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)子葉片、透平盤和燃燒室等部件上使用了反應(yīng)燒結(jié)SiC和Si3N4，最高溫度達(dá)1400C，在1400C的抗彎強(qiáng)度為300?700MPa，斷裂韌性為3?7MPa.m1/2。陶瓷材料發(fā)展的下一個(gè)目標(biāo)是使用溫度達(dá)1600C，更遠(yuǎn)的目標(biāo)是1800C。日本非常重視陶瓷纖維和粉末的研究，居世界領(lǐng)先水平，采用粉漿燒注和氣壓燒結(jié)法制備的Si3N4的彎曲強(qiáng)度700MPa,K1c約為8MPa.m1/2，在1400°C下保持相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性，并具有優(yōu)異的抗熱震性能和抗氧化性能。目前高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料存在的主要總理是其具有的脆性、成本高和加工困難。研究重點(diǎn)是增韌、超塑性、熱穩(wěn)定性和高可靠性等。發(fā)展方向是采用CVI技術(shù)和納米技術(shù)制造高性能陶瓷。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化目標(biāo)已越來越近，預(yù)計(jì)2000年陶瓷材料將占渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)重量的3%。最近，美國采用激光法合成新型超精細(xì)Si3N4和SiC粉末，是研制全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。陶瓷基復(fù)合材料的重點(diǎn)是連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。當(dāng)未來發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為10時(shí)，渦輪部件的工作溫度將達(dá)1650C，矢量噴管溫度高達(dá)1700?1800C。所能選擇的材料只有高溫低密度的陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料。美國在陶瓷基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用方面具很強(qiáng)的實(shí)力，美國的IHPTET、HITEP和NASP計(jì)劃中研制陶瓷基復(fù)合材料的目標(biāo)是用于制造1650C的軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)，1995年完成了對(duì)1538C陶瓷纖維的可行性論證，用于F100發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，在2005年對(duì)不帶冷卻系統(tǒng)而能在1538CX作的陶瓷基復(fù)合材料部件進(jìn)行試驗(yàn)。在國防高級(jí)研究計(jì)劃(DARDA)中，要求1997年研制出1538?1650C用陶瓷基復(fù)合材料，并希望得到商品級(jí)纖維。技術(shù)指標(biāo)是1600C下彎曲強(qiáng)度大于150Mpa，蠕變速率小于10-8/S,K1c大于10MPa.m1/2,氧化厚度10pm2/h,SiCf/SiC的室溫彎曲強(qiáng)度達(dá)350?750MPa,K1c=18MPa.m1/2，1600C氧化速率小于10pm2/h，有希望成為1550?1650C下應(yīng)用的材料。法國在陶瓷基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平。它首先將陶瓷基復(fù)合材料用于Rafale飛機(jī)的M-88燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴閥°SEP公司采用CVI工藝研制的2DSiCf/SiC的纖維含量60%，密度小于2.4g/cm3,室溫抗拉強(qiáng)度為300MPa，1400C下的彎曲強(qiáng)度為250MPa，K1c=25MPa.m1/2,2DC/SiC的室溫強(qiáng)度為400MPa，K1c=25MPa.m1/2。俄羅斯已制成K1c達(dá)35MPa.m1/2的陶瓷基復(fù)合材料。今后，陶瓷基復(fù)合材料研究的方向是提高材料的斷裂韌性，要求K1c達(dá)到15MPa.m1/2。SiCf/SiC和SiCf/Si3N4是發(fā)展1600C以上應(yīng)用的最有希望的材料，因?yàn)槠浔砻婺墚a(chǎn)生SiO2層，而不考慮涂層。重點(diǎn)是發(fā)展梯度功能材料和納米材料。金屬基復(fù)合材料高溫金屬基復(fù)合材料是發(fā)動(dòng)機(jī)和超高音速飛機(jī)機(jī)體的理想高溫結(jié)構(gòu)材料，被列為美國國防關(guān)鍵技術(shù)和國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃中的關(guān)鍵材料之一，金屬基復(fù)合材料在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤上具有可觀的應(yīng)用前景，它可使發(fā)動(dòng)機(jī)部件減重達(dá)50%，最近美國和英國已著手開展將金屬基復(fù)合材料用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的工作。高溫金屬基復(fù)合材料主要有鈦基、金屬間化合物基、高溫合金基和難熔金屬基復(fù)合材料。美國計(jì)劃在2000年將871C的鈦基復(fù)合材料用于IHPTEP計(jì)劃的第3階段，在2005年開發(fā)出用于超高音速飛機(jī)機(jī)體耐 871C高溫的鈦基復(fù)合材料 SiC/Ti，惠普公司擬將SiCf/B-21S用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，已對(duì)該材料進(jìn)行了評(píng)估。美國最近還研制了一種B4C-B纖維/鐵基高溫合金復(fù)合材料，其871C，460MPa的持久壽命比CMRS-2提高30%，比強(qiáng)度提高一倍，使葉片減重40%?！?〕碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料(C/C)是高推重比(20?30)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用熱高溫結(jié)構(gòu)材料是各類武器系統(tǒng)如軍用戰(zhàn)斗機(jī)、新型航天飛機(jī)、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用衛(wèi)星、新型艦艇和坦克推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心材料，未來武器系統(tǒng)的發(fā)展需要更加先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)材料能夠提供更高的推阻比、更高的起飛重量比和更高的燃燒效率［影響］高溫結(jié)構(gòu)材料是各類武器系統(tǒng)如軍用戰(zhàn)斗機(jī)、新型航天飛機(jī)、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用衛(wèi)星、新型艦艇和坦克推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心材料，未來武器系統(tǒng)的發(fā)展需要更加先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)材料能夠提供更高的推阻比、更高的起飛重量比和更高的燃燒效率。提供單位：中國國防科技信息中心責(zé)任者：盧亮數(shù)據(jù)采集時(shí)間：1999.08參考文獻(xiàn)：gif《美國國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃》（1992年出版），第24?40頁。gifNelson,HG,"AChallengetoMaterials:AdvancedHypersonicFlightHydrogenandHighTemperatureMaterials”,Processing,Fabrication&ApplicationofAdvancedComposites,1993,8.p11?20.〔3〕周瑞發(fā)，”新一代武器裝備高速度、高精度和高威懾力要求的軍用新材料”，《軍用新材料技術(shù)》，1996年，第22?29頁?！?〕JamesC.Chesnutt,"TianiumIntermetallics-PresentandFuture”,Titanum'95-ScienceandTechnology,Proceedingsofthd8thWorldConferenceonTitanium,1995,10,Vl.1,p.70?79.5.gifG.L.Enchson,"TheDevelopmentandApplicationofCMSX-10”,Superalloys1996,Proceedingsofthe8thInternationalSymposium,1996,9.,p35-44.〔6〕周瑞發(fā)，”高溫結(jié)構(gòu)材料”，《軍用新材料技術(shù)》，1996年，第80?89頁。7.gifM.Chang,"Damage