加工镍基高温合金

镍基高温合金是燃气涡轮发动机最恶劣工作条件下的首选材料。高温合金用于燃气轮机的高温区域，特别是涡轮叶片和涡轮盘。叶片位于气流中并提取功来为飞机和涡轮盘提供动力，涡轮盘反过来约束叶片并将功传递给连接涡轮和发动机前部压气机级的轴。这两个组件执行完全不同的角色，因此需要不同的属性。这导致了不同合金和加工路线的发展，以实现最有效和最佳性能的发动机。

喷气发动机的涡轮叶片是通过将液态合金凝固在陶瓷模具内铸造而成的，该模具包含芯，以方便内部冷却通道。这需要一个复杂的模具，首先是一个尺寸与叶片相匹配的蜡组装，在其上涂上陶瓷浆和陶瓷颗粒层，以建立一个外壳。然后，蜡组件在高压下从外壳中熔化，然后烧制陶瓷外壳以加强它。然后将液态合金倒入外壳并凝固，然后通过粉碎陶瓷模具取出叶片。然后用酸浴将内部岩心浸出。

喷气发动机的涡轮叶片在极端温度下工作，在使用过程中会经历一种称为蠕变的过程，在这种过程中，部件的缓慢伸长可能导致与机匣接触。这会磨损部件，导致更换刀片，或者在严重的情况下;对发动机本身的损坏。然而，在一定条件下，材料的晶体结构具有天然的抗蠕变变形能力。这导致了加工技术的发展，以最大限度地提高这种自然抗性。

一个标准的传统铸造叶片将包含多个晶体结构，或晶粒，在随机方向。这种排列对蠕变变形的阻力最小，因此材料科学家寻求改变晶粒结构的方法，以改变材料的性能。在20世纪70年代开发的第一次细化，试图通过去除垂直于应力方向的晶粒，使晶体结构沿着最大应力轴排列。这是通过定向凝固实现的，即叶片从底部向上凝固，因为它以每小时几英寸的速度通过一个尖锐的温度梯度。这意味着固液界面在叶片中垂直移动，因此，当颗粒沿着热梯度方向生长时，颗粒沿着组件的长度排列。

在20世纪80年代，该工艺被改进为目前使用的单晶铸造工艺。单晶铸造过程与定向凝固过程相同，但有一点不同;通过使用陶瓷外壳中的晶粒选择器，在进入组件的叶片部分之前对材料的晶体结构进行对齐。晶粒选择器的紧密旋转(一种形式是猪尾巴)限制了可以生长到叶片中的晶体方向的数量到单个晶粒。这种晶粒的取向与构件的长度平行，因此具有最大的抗变形能力。

镍基高温合金盘的生产首先要生产符合合金成分的金属锭。这是通过三次熔炼程序实现的，通过不同的方法将合金再熔炼三次，以减少偏析(元素的分散)，去除“不稳定”元素(如氧、氮和硫)，并获得具有均匀微观结构的铸锭。一旦锭以这种方式生产出来，它就被退火(留在高温下)，以进一步减少在生产圆盘之前的偏析。

铸锭成形后，圆盘要么用铸造和锻造路线或乘粉加工．在铸造和锻造过程中，铸锭首先由液压机变形，从而减小铸锭的直径并破坏微观结构(称为齿槽或镦粗和拉伸)，然后在最终锻造操作之前形成“薄饼”。

随着镍基高温合金的复杂程度、合金元素的增多和强度的提高，采用浇铸和变形的机械方法对合金进行变形变得越来越困难。这导致了另一种途径的使用:粉末加工。粉末加工首先在漏斗状的坩埚中熔化三熔锭，然后在液态金属下落时通过引导氩气喷射使熔融金属雾化。然后将金属球体通过一系列筛子以获得均匀的粉末尺寸，然后通过热压将粉末压实;温度超过1000℃，压力100MPa。这一过程将粉末固化成与最终成分非常相似的形状;它被称为“近净形过程”。

所有涡轮叶片和圆盘都经过适合其应用的热处理。这需要一种处理的形式，以获得均匀的材料和所需的晶粒尺寸的磁盘，其次是一个老化的热处理，使强化晶体结构称为gamma-prime沉淀形成并发展到一个最佳水平，将在服务期间最大限度地提高组件的属性。

一旦热处理程序完成，叶片和磁盘被送去进行最后的加工，叶片附件和机械固定装置被添加到组件中。然后以非常高的精度对整体结构的尺寸进行细化-误差可达几微米。在涡轮叶片的情况下，陶瓷涂层，然后赋予额外的阻力，以应对高温，磁盘旋转测试，以确保他们保持平衡。

在制造这些高度敏感部件的最后阶段，在它们被安排到发动机的组成部分之前，要进行非破坏性分析，以确保它们在制造限制内。然后将这些部件组装成组成现代喷气发动机的成千上万个部件中的一个。