XNUMXポンドの超合金はいくらですか？

2021-11-25

現在、国際市場では年間300,000万トン近くの超合金材料が消費されており、さまざまな分野で広く使用されています。 2018年の世界の超合金市場規模は12.163億米ドルで、前年同期比26.98％増加しました。米国とヨーロッパの超合金市場はより成熟しており、将来の市場の増加は主に中国から来るでしょう。中国の超合金市場の現在の年間成長率は20-30％に保ちます。

超合金の概要

高温合金とは、600°C以上で酸化防止および腐食防止の特性を持ち、特定のストレス下で長時間動作できる、Fe、Ni、およびCoをベースにした金属材料を指します。図1は、世界の高温合金と我が国で開発された合金の開発動向を示しています。高温合金は、航空エンジンの燃料室、ガイド、タービンブレード、タービンディスク、およびその他のホットエンド部品であるだけでなく、航空宇宙ロケットエンジンの高温部品の主要材料であるだけでなく、産業用の高温で耐食性もあります。ガスタービン、エネルギー、化学産業などの産業部門で必要とされる構成材料は、国民経済において不可欠かつ重要な材料です。

現在、国際市場では毎年300,000万トン近くの超合金材料が消費されています。図2に主な消費地域の分布を示します。私の国の超合金市場の年間成長率は20〜30％に維持されており、世界は航空を生産することができます。主に米国、英国、日本、ドイツに航空宇宙用の高温合金会社は50社しかありません。、フランス、ロシア、その他の国。たとえば、米国のGE、PW、Haynes Stellite、Inco Alloys International、Cannon-Muskegon、Westinghouse、Martin Marietta、Standard Pressed Steel、Whittaker、Special Metal、Universal-Cyclops Steel、Howmet、Pratt＆Whitneyなどのキャボット企業、ロシアのUnited AircraftCompanyとカナダのMondNickel Companyには、明らかなオリゴガルシック特性があります。

3030年に超合金GH1956の最初の炉の試験が成功して以来、私の国での超合金の研究、製造、応用はXNUMX年以上の開発を経験してきました。現在、鋼鉄研究総院、産業情報技術省、中国非鉄金属産業協会、および国防科学産業局の全体的な監督の下で、私の国はいくつかの生産拠点と先進的な企業を形成しています鋼鉄研究総院、Fushun特殊鋼、Baosteel特殊鋼、中国航空開発、Wanhang Die Forging、Wanze Co.、Ltd.、Tunan Co.、Ltd。などの生産設備と特定の規模も研究グループを形成しています。鋼鉄研究総院、北京航空材料研究所、金属研究所、中国科学院、北京航空宇宙工学大学、科学技術大学北京など、独立したイノベーションと研究開発能力を備えた研究所北西工科大学等

China Superalloy Handbook（2012）によると、私の国の超合金は、194の等軸ニッケル基合金、62のニッケル基鍛造合金、43の鉄基鍛造合金、30の金属間化合物を含む合計20のグレードにリストされています。 5つのODS合金と3つのODS合金があります 粉末冶金 超合金[3]。私の国の超合金市場の最大の割合は変形超合金であり、約70％であり、次に鋳造超合金である約20％です。マトリックス要素に関しては、ニッケルベースの超合金が市場全体の最大の割合を占めています。 80％、ニッケル鉄ベースの超合金、約14％、コバルトベースの超合金、約6％が続きます。

私の国の超合金の研究の進歩

私の国の超合金は、オリジナルの創造と組み合わされた模倣、模倣、創造の開発プロセスを経てきました。先進国の経験を吸収し、自国の自国のイノベーションの実情と組み合わせることで、自国の超合金システムが形成されました。米国、英国、その他の国々は企業やメーカーが独自の合金システムを使用していますが、私の国は国の統一システムであり、超合金シリーズとシステムは合金の製造方法、マトリックス要素、強化の順に形成されていますメソッド。製造方法によると、変形超合金、鋳造超合金（等軸結晶、方向性凝固柱状結晶、単結晶超合金を含む）、粉末冶金超合金、分散強化超合金、金属間高温材料、溶接用高温合金線があります。。そして、高温合金ベースの自己潤滑材料など。これらの異なる合金シリーズは、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベース、およびクロムベースの高温合金にさらに分類されます。同じマトリックスの下で、それらはさらに固溶体強化タイプとエージング強化タイプに分けられます[2]。

現在、私の国の超合金の主な問題と欠点は次のとおりです。黒い斑点、白い斑点、炭化物の偏析など、多くの冶金学的欠陥。組織の均一性が低い。不純物元素の含有量が高く、強度と耐用年数が低下します。高コスト、再利用率が低い。

22年25月2019〜14日、北京科学技術大学、ノースイースタン大学、Daye Special Steelが主催する第XNUMX回全国超合金年次会議が湖北省黄石で開催され、私の国の超合金研究における最近の成果を示すことに焦点が当てられました。その成果には、変形超合金品種の開発とその残留応力制御、鋳造超合金の研究開発、粉末超合金と粉末精製技術、金属間化合物ベースの高温構造材料の研究と応用の進歩などが含まれます。

1変形した超合金

鍛造超合金とは、鋳造変形プロセスによって製造された超合金を指します。動作範囲は-253〜1320℃で、ディスク、プレート、ロッド、ワイヤー、リボン、チューブ、および航空宇宙、航空、エネルギー、石油化学、原子力で広く使用されているGH128、GH4169などの他の製品を含みます。およびその他の産業分野。近年、鍛造超合金は、プロセスフロー、新しい合金の開発、および新しい技術において、多くのブレークスルーとアプリケーションの結果を達成しています。

プロセスフロー

国内の変形超合金製錬は、通常、真空誘導+真空消耗品ダブルまたは真空誘導+エレクトロスラグ再溶解+真空消耗品トリプル製錬法を採用しています。真空誘導炉内の洗濯機の水シミュレーションと数値シミュレーション、および構造の最適化された設計により、洗濯機内の流れ場分布と温度分布を改善し、それによってインゴットの品質と清浄度を向上させることができます。

高温合金インゴットは、凝固プロセス中に深刻な成分の偏析を引き起こします。製錬工程の改善に加えて、成分の偏析を低減および改善し、材料の均一性を改善するために、最も重要な技術的手段は均質化処理を実行することです。長時間加熱すると、溶質元素原子の拡散と移動が促進され、デンドライトステムとデンドライト間の元素濃度の差が最小限に抑えられます。インゴットのサイズが大きくなると、偏析は凝固冷却速度の影響を受け、それに応じて大きくなります。最終的な均質化の温度と時間は、異なる均質化システムの下で二次デンドライトの間隔と分離係数を比較することによって決定できます。

GH4720Li合金インゴットの開花収率と棒の品質レベルを改善するために、多数の熱シミュレーション圧縮試験を通じて、さまざまな熱変形条件下での数学的シミュレーションと亀裂基準が取得および確立され、最適化されます。鍛造ステップバイステップを含むプロセスパラメータ冷却と火災変形の合理的な分布。関連する研究は、急速な後鍛造ビレットはインゴットの鋳造時の構造を完全に破壊し、直径を補います鍛造、バーの表面状態を改善し、歩留まりを向上させることができます。

GH4706合金の超大型タービンディスクは、現代のE / Fクラスの大型ガスタービンのコアホットエンド回転部分です。鍛造品の直径は2000mmを超え、重量は6tに達します。これは、緊急にローカライズする必要がある最も重要な部分の4169つです。合金の組成はGH2013に近く、γ '相とγ'相で強化されたFe-Ni基の変形高温合金です。タービンディスクの型鍛造は、ディスクの熱間成形と微細構造および特性の制御の両方を実現する必要があります。 8年には、我が国が独自に設計・開発した世界最大の104 * 4t型鍛造油圧プレス（図4738）が生産され、直径1500mmのGH4706合金タービンディスク鍛造品の試作に成功しました。大規模なGHXNUMX合金タービンディスクの準備は、特定の参照経験を提供しますが、それでも深刻な課題に直面しています。

残留応力は、準備プロセス中の材料内部の不均一な塑性変形に起因し、本質的には材料に残っている格子歪みです。再結晶温度付近の熱変形は、高レベルの残留応力を形成するのが困難です。低温鍛造または鍛造後の冷却中に形成された残留応力でさえ、通常、その後の高温溶体化処理で解放することができます。したがって、高温合金ディスク鍛造品は、一般に、鍛造後の溶体化処理後、γ 'またはγ'相が粗大化しないように急冷する必要があります。図6は、さまざまな残留応力試験手法に対応する試験深度と分解能を示しています。高温合金ディスク鍛造品の場合、表層から10mm以上の内部残留応力を試験・解析する必要があり、分解能はmmレベルである必要があります。そのため、主な方法としては、中性子回折、等高線法、深穴法（深穴掘削）、超音波（超音波）などがあります。

中央鉄鋼研究所等のBiZhongnanは、超合金タービンディスク鍛造品の内部残留応力の試験方法を要約し、固溶体、焼入れ、時効、および部品加工[6]。

超音波検査は、非破壊検査の重要な方法です。プローブから放出された超音波は、ワークピース内を伝播するために使用されます。マトリックスとは異なる音響特性を持つ不連続または不均一な組織がある場合、非破壊検査および評価の定性的および定量的分析の基礎を提供するために、伝播モードおよび情報の変化が界面で発生します。 Fan Xingyi、Lin Shiqianなどは、ディスク鍛造構造の粒径と超音波クラッターの関係を十分に研究して、検査構造に影響を与える主な要因と適切な検査パラメーターを決定しました。

新しい合金

Wang Qingzeng、Chen Guosheng、Sun Wenruなどは、P強化とPおよびBコンパウンド強化メカニズムの研究に基づいてGH4169G合金を開発しました。 GH4169合金の優れた総合特性を維持しながら、使用温度を30℃上げて680℃にした。 650°Cでの耐用年数は3倍以上になります。同時に、溶接および熱処理性能は、幅広い用途の見通しがあるGH4169合金と同等です。

GH4169D合金は、Feの含有量を減らし、固溶体強化元素WとCoを追加し、AlとTiの含有量と比率を調整し、Nbの含有量を適切に増やし、微量の含有量を調整することにより、GH4169合金に基づいて開発に成功しました。要素。世界で最も広く使用されている4169つの超合金（650°Cの場合はGH4738、750°Cの場合はGHXNUMX）の間の長年のギャップ。

鋳造および鍛造プロセスに依存する高性能タービンディスク材料の開発においても、大きな進歩が見られました。 GH4065、GH4079、GH4975などの高性能変形高温合金タービンディスク材料が次々と開発され、特にGH4065合金の総合性能は粉末冶金材料のレベルに達しました。私の国の高度な航空エンジンのホットエンド回転部品を選択するための成熟した信頼性の高いソリューションを提供することが期待されています。

GH4282合金は、一定量の析出強化γ '相を維持することに基づいて、構造、組成、析出速度を制御することにより、高強度時効強化燃焼器合金におけるγ'相の大量析出によって引き起こされる冷間加工を解決します。 γ '相の。また、溶接が難しいという問題もあり、650〜950℃の範囲で優れた高温強度と熱安定性を維持すると同時に、溶接特性と冷間加工特性のバランスが取れて最適化されています。

新技術

我が国は窒化物強化超合金NGH5011を開発し、表面での窒素の吸着と溶解、マトリックス内での均一な拡散、内因的に分散した窒化プロセスに関与する反応界面での窒化物の析出という重要な物理化学を目指しています。窒化物強化合金。プロセスは体系的な研究作業を実施しました。

中央鉄鋼研究所の高温材料研究所は、添加剤製造技術を使用して、3D-In718合金ガスタービンディスクと一体型インペラの準備に成功しました。部品の密度は99.9％に達し、構造と性能は鋳造品よりもはるかに優れていました。室温および高温での引張強さ、可塑性および耐久性は鍛造品の基準を満たすことができます。

さらに、エレクトロスラグ再溶解連続方向凝固製錬+ 3D鍛造ビレット+等温鍛造の新しい鋳造および鍛造プロセス技術により、変形したFGH4096合金タービンディスクの製造に成功しました。

2鋳造超合金

鋳造超合金は組成が広く、使用温度によって253つのカテゴリーに分類されます。K650などの-4169-650℃で使用される等軸結晶鋳造超合金。 K950などの419〜950℃の高温合金で使用される等軸結晶鋳造。 DD1100など、402〜XNUMX°Cで使用される方向性凝固柱状結晶鋳造高温合金。航空エンジンのケーシングは、中低温条件下で使用される典型的な等軸超合金鋳物です。複雑な構造、正確なサイズ、薄肉の軽量化が開発のトレンドです。したがって、精密成形と凝固構造の協調制御は、緊急に解決する必要のある主要な問題です。技術的な課題。

等軸ニッケル基超合金は主にγ相に基づいており、Al、Ti、Nb、Taを添加して最大70％の体積分率のγ '相またはγ'相を形成することで強化され、Cで強化されます。、BおよびZr合金の全体的な性能を向上させるための、粒界偏析または炭化物またはホウ化物の形成における粒界強化元素として。等軸結晶鋳造超合金の開発の方向性は主に次のとおりです。合金化理論と冶金学的原理によると、コンピューターシミュレーション技術の設計と組み合わせて優れた包括的な性能を備えた新しいタイプの材料。さまざまな合金の目的のために、既存の合金組成を調整して優れた比性能を得る。合金製錬プロセスを改善および改善し、合金の冶金学的品質を改善します。新しいプロセス技術の機械的特性により、鋳造品の品質と品質を向上させます。
従来の「試行錯誤」の方法は、コストが高く、サイクルが長く、困難です。計算材料科学、ビッグデータ処理、機械学習、ハイスループットテストに基づいた合金組成設計を開発することが大きなトレンドになるでしょう。電子空孔理論、結合時間数、合金元素のd軌道エネルギーに基づいて、開発と完全相計算により、合金のTCP相の析出則をシミュレートおよび予測できます。合金組成と高性能の定量的関係を確立する方法は、現在の単結晶合金です。設計の鍵です。 Fu Hengzhi、Jie Ziqiらは、K4169超合金の溶融凝固特性を研究し、溶融過熱温度が核形成と過冷却に及ぼす影響を調べ、溶融過熱処理によって結晶粒サイズを大幅に改善し、析出物の形態と分布を改善できることをさらに検証しました。相、合金元素の偏析を効果的に低減し、それによって鋳造されたままの超合金の包括的な機械的特性を改善します。

JMatPro、Thermal-calc、およびPandaソフトウェアを使用すると、ニッケル基超合金のさまざまな成分の初期溶融温度、合金密度、相組成、および含有量をより正確に計算でき、これに基づいて熱処理ウィンドウとペースト間隔を予測できます。、適切な熱力学的基準を策定し、実験的試験の要件を満たす合金成分を選別します。これにより、合金の開発時間とコストを節約できます。

鋳造成形シミュレーション技術により、充填プロセス中の温度場分布をシミュレートして、ライザーとゲートシステムを合理的に設計し、鋳造プロセスパラメータを最適化し、収縮キャビティ、防寒壁などの欠陥を予測することができます。 -鋳造および収縮の多孔性と冷却後。残留応力は、実際の生産のための理論的なガイダンスを提供します。現在、鋳造シミュレーション技術の開発は比較的成熟しています。典型的な商用シミュレーションソフトウェアには、ProCAST、MAGMA、AFSolid、PAM-CASTが含まれます。 Liu Baichengらは、コンピューター技術を使用して鋳造業界を変革することを提案し、鋳造プロセスのマクロおよびミクロシミュレーションシミュレーションの分野で多くの研究を行い、エンジニアリングアプリケーション向けの一連の数値シミュレーションソフトウェアを開発しました。

一般的な組織シミュレーション方法には、第一原理、分子動力学、モンテカルロ、セルオートマトン、フェーズフィールド法、有限要素などがあります。たとえば、クリープ損傷の結晶モデルをフェーズフィールドモデルに結合すると、8つの同時シミュレーションを実現できます。図XNUMXに示すように、クリープ組織の進化と性能の段階を経て、クリープ組織の進化プロセスとクリープ曲線を取得します。これは、性能指向の微細構造最適化シミュレーション作業の開発に役立つ、超合金クリープシミュレーションの新しい方法を提供します。

単結晶超合金は粒界を排除し、優れた高温クリープ、耐酸化性、耐食性を備えています。その研究開発は1970年代に米国のプラットアンドホイットニーで始まり、PWA1480単結晶超合金は1980年代から成功を収めています。開発・応用以来、外国の単結晶合金が急速に発展し、2000年頃に第1827世代の単結晶合金が開発されました。第1280世代から第1330世代の単結晶超合金まで、使用温度はXNUMX℃に上昇しました。、これは初期溶融温度（XNUMX-XNUMX°C）よりもはるかに高いです。同時に、ReやRuなどの貴金属元素の含有量が増加し、コストも増加しています。高く高く。

私の国での単結晶合金の開発は比較的遅く始まりました、そしてそれらのほとんどは模倣に基づいています。近年、私の国は単結晶超合金の開発と応用において大きな進歩を遂げ、第33世代の単結晶合金DD9、DD91と第15世代の単結晶合金DDXNUMX、DDXNUMXなどを独自に開発しました。すでに新しい単結晶超合金材料を所有しています。、特に軍と民間の統合政策の指導と推進の下で、新しいプロセスに依存しない研究開発能力が出現し、そのほとんどが単結晶超合金マスター合金と単結晶ブレードの製造に焦点を当てている超合金に関連する多くの民間企業が出現しました。。

現在、単結晶超合金の組成設計に関する研究は、主に英国、ドイツ、日本などの大学や研究機関に集中しており、設計空間はますます小さくなっており、改善がますます困難になっています。全体的なパフォーマンス。さまざまな「カスタム」合金の開発を開始。たとえば、GEは第515世代単結晶合金のRe含有量を減らすために、RenéN1.5に近い性能のRenéN5合金（5％Re）を開発し、航空エンジンタービンブレードのRenéNXNUMXを徐々に置き換えました。

結晶粒微細化は、鋳造品の低サイクル疲労性能を大幅に改善し、機械的特性のばらつきを減らし、機械的処理性能を向上させることができます。主なメカニズムは、核形成を促進し、粒子の成長を阻害することです。一般的に使用される方法には、熱制御法（FGP、Grainix法）、速度論的方法（金型攪拌、電磁振動、パルス電流など）、化学的方法（精製剤）などがあります。北京航空材料研究所、北京航空宇宙工学大学などは、単結晶超合金の低サイクル疲労、高サイクル疲労、およびクリープ特性について多くの分析と研究を行ってきました[9,10]。さらに、反重力鋳造技術や積層造形などのいくつかの新しいプロセスでも一定の進歩が見られました。

3粉末超合金

高品質の超合金粉末は、高度な航空エンジン粉末タービンディスクの開発と製造の基礎と保証です。現在、超合金粉末の製造には、主にArエアロゾル法（AA粉末）とプラズマ回転電極法（PREP粉末）の3つの方法があります。北京航空材料研究所などのZhangGuoqingの研究グループは、一連のArガス噴霧超合金粉末調製装置と技術を開発して、粉末超合金タービンディスクやその他のホットエンド部品を調製し、XNUMXD印刷用の積層造形を開発しました。原材料を提供します。彼らは、合金噴霧プロセス、粉末製造プロセス中の粒子サイズ制御、O含有量制御、および非金属介在物制御において一定の結果と経験を達成しています。

4金属間化合物ベースの超合金

金属間化合物は、特定の原子比でXNUMXつ以上の金属元素または金属元素と半金属元素で構成される化合物です。共有結合と金属結合の共存により、金属間化合物は、より長い範囲で長距離の秩序化された超格子構造を持ちます。高温では、金属間化合物の転位移動度が比較的低下するため、高温強度が高くなります。より典型的なものはTi-Al、Ni-Al、Nb-Siであり、これらは優れた高温強度と低密度を持ちますが、室温破壊靭性が低く、高温耐酸化性が低いため、用途が制限されます。、この分野の研究の難しさと焦点にもなっています。

近年、私の国は、性能と技術において大きな進歩を遂げたTiAl、Ti3Al、Ti2AlNb、およびNi3Alベースの合金に代表される金属間化合物ベースの超合金材料の基礎研究と工学的応用において重要な進歩を遂げました。独立した知的財産権を持ついくつかの新しい高温構造材料を開発し、私の国の高性能航空エンジンの開発に重要な貢献をしました。 Nb-Si基合金は、凝固プロセスと酸化防止コーティングの基礎研究においても大きな進歩を遂げており、徐々に実用化に近づいています。たとえば、Ti-Al金属間化合物超合金で行われた重要な進歩には次のものが含まれます。新世代の高ニオブ含有TiAl合金組成の設計、構造、および性能関係の研究により、新しい規則とメカニズムが見つかりました。第3世代のTiAl合金エンジニアリングアプリケーションの飛躍的進歩。 Ti2AlおよびTiXNUMXAlNb合金は大きな進歩を遂げ、その適用範囲は継続的に拡大されています。

この記事へのリンク： XNUMXポンドの超合金はいくらですか？

転載声明：特別な指示がない場合、このサイトのすべての記事はオリジナルです。再版のソースを示してください：https：//www.cncmachiningptj.com