單晶高溫合金因其優(yōu)異的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高端裝備制造領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。了解單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，對(duì)于了解產(chǎn)品的市場(chǎng)動(dòng)向以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率具有現(xiàn)實(shí)的意義。論文概述了國(guó)內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，重點(diǎn)總結(jié)了國(guó)內(nèi)單晶高溫合金的研發(fā)狀況、數(shù)值模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶高溫合金制備工藝、性能評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用，并提出了改善我國(guó)單晶高溫合金生長(zhǎng)工藝與質(zhì)量現(xiàn)狀的努力方向。

    0 引言

    當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空航天行業(yè)呈現(xiàn)產(chǎn)品軍民多樣化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的態(tài)勢(shì)。而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的質(zhì)量是衡量航空航天產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)。單晶高溫合金因其優(yōu)異的高溫抗疲勞、抗蠕變性能，已成為制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的重要材料。單晶高溫合金的生長(zhǎng)制備工藝、缺陷預(yù)測(cè)與控制是影響其工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)上一般采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究上述問(wèn)題。但利用實(shí)驗(yàn)方法往往成本高、周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步以及計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)等學(xué)科的交叉滲透，數(shù)值模擬技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)法的輔助手段，已日益在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高端裝備制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。因此，了解單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀及其數(shù)值模擬應(yīng)用，對(duì)于了解產(chǎn)品的市場(chǎng)動(dòng)向以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率具有現(xiàn)實(shí)的意義。

    本文從國(guó)內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合單晶高溫合金的制備工藝、性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題，介紹數(shù)值模擬技術(shù)在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用單晶高溫合金中的應(yīng)用，并提出改善發(fā)動(dòng)機(jī)葉片單晶高溫合金生長(zhǎng)工藝與質(zhì)量的數(shù)值模擬研究方向。

    1 國(guó)外單晶高溫合金行業(yè)概況

    目前，全球高溫合金材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，但總體而言，核心制造技術(shù)主要被為數(shù)不多的企業(yè)所占據(jù)。

    據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過(guò)50家，主要集中在美、英、日等國(guó)。發(fā)達(dá)國(guó)家將航空航天領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品視為其長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略物資，嚴(yán)格控制對(duì)外出口。美國(guó)航空航天用單晶高溫合金的年產(chǎn)量約為5萬(wàn)噸，其中約60%用于民用工業(yè)，其研發(fā)工藝和應(yīng)用技術(shù)一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平。主要高溫合金企業(yè)的營(yíng)業(yè)收入和營(yíng)業(yè)利潤(rùn)均在波動(dòng)中上升。在美國(guó)，生產(chǎn)高溫合金水平較高的公司主要有GE、Pratt-Whitney、Cannon-Muskegon、Inco以及Carpenter，其中GE公司能夠自主研發(fā)與生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫合金。

    英國(guó)是歐盟國(guó)家中高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)的主要代表。英國(guó)研發(fā)高溫合金起步較早，其鑄造合金技術(shù)非常先進(jìn)，具有代表性的是Mond Nickel公司生產(chǎn)的Nimocast合金。后來(lái)該國(guó)Rolls-Royceplc公司研制了SRR2000和SRR2060等航空發(fā)動(dòng)機(jī)用定向凝固單晶合金。近年該公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)收入和利潤(rùn)一直處于提升的狀態(tài)。

    日本近年來(lái)的單晶高溫合金工藝發(fā)展快速，在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金等方面取得較大的成果，已成功開(kāi)發(fā)出在1200℃高溫下能保持足夠強(qiáng)度的新型耐高溫合金。日本高溫合金生產(chǎn)企業(yè)主要有IHI、JFE、新日鐵和神戶制鋼等公司。

    總體而言，發(fā)達(dá)國(guó)家美、英、日等國(guó)在研發(fā)與制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金方面具有雄厚的技術(shù)實(shí)力，其核心技術(shù)領(lǐng)跑全球，值得國(guó)內(nèi)單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)人員參考借鑒。

    2 國(guó)內(nèi)單晶高溫合金行業(yè)現(xiàn)狀

    20世紀(jì)80年代初，中航工業(yè)航材院在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了單晶合金及葉片技術(shù)的研究，成功研制了我國(guó)第一代單晶高溫合金DD3。20世紀(jì)90年代又成功研制了綜合性能優(yōu)異的第二代單晶高溫合金DD6。DD6合金拉伸、持久、蠕變、疲勞、抗氧化及耐熱耐腐蝕性能等達(dá)到了國(guó)外廣泛應(yīng)用的第二代單晶合金的性能水平。自成功研制我國(guó)首件單晶空心渦輪葉片以來(lái)，中航工業(yè)航材院為多種型號(hào)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供了數(shù)萬(wàn)件單晶葉片，某些裝配單晶渦輪葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)已翱翔于藍(lán)天。

    國(guó)內(nèi)具有代表性的高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)如表1所示。

    表1 國(guó)內(nèi)高溫合金研發(fā)和生產(chǎn)的主要企業(yè)

    國(guó)內(nèi)高校及相關(guān)企業(yè)在耐高溫單晶合金方面所做的相關(guān)工作綜述如下：

    鋼鐵研究總院燕平等[2]對(duì)DD402（CMSX-2）單晶合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)組織及850℃下500h、1500h和3000h時(shí)效后的組織進(jìn)行了顯微組織觀察和比較，測(cè)定了長(zhǎng)期時(shí)效后的高溫持久性能。DD402單晶合金屬于第一代單晶合金，已成功應(yīng)用于某發(fā)動(dòng)機(jī)的Ⅰ級(jí)渦輪葉片。為提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，鋼鐵研究總院和南方航空動(dòng)力機(jī)械公司共同開(kāi)展了DD402單晶合金及其Ⅰ級(jí)單晶渦輪葉片的研制工作。

    北京航空材料研究所在單晶高溫合金的研制方面做了很多工作。陳榮章總結(jié)分析了單晶高溫合金的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為從20世紀(jì)80年代初第一代單晶高溫合金研制成功以來(lái)，單晶合金的發(fā)展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現(xiàn)和應(yīng)用，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高作出了重要貢獻(xiàn)。單晶高溫合金在先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中的應(yīng)用日益擴(kuò)大。但客觀而言，我國(guó)在單晶合金工藝研究方面仍落后于當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平。張勇介紹了一種加礦化劑的單晶殼型。該殼型具有高強(qiáng)度、壁薄而均勻的特點(diǎn)，已應(yīng)用成功于澆注單晶葉片。張兵等基于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于定向凝固和單晶高溫合金再結(jié)晶行為的研究，總結(jié)了定向凝固和單晶高溫合金再結(jié)晶的主要影響因素，包括熱處理溫度與時(shí)間、第二相粒子、變形溫度等。李影等總結(jié)了鎳基單晶高溫合金的反常屈服行為，并討論了導(dǎo)致產(chǎn)生這種反常屈服行為的變形機(jī)制以及這些變形機(jī)制的發(fā)展過(guò)程。

    中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉春廷等采用低壓氣相沉積法，在鎳基高溫合金DD32上制備鋁化物涂層。在900℃、1000℃氧化500小時(shí)后，表面氧化膜為致密的α-Al2O3和針狀的θ-Al2O3。氧化后的鋁化物涂層外層為β-Ni3Al，內(nèi)層（擴(kuò)散層）母體為Ni3Al。

    中國(guó)商用飛機(jī)公司朱鷗等[8]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶高溫合金的熱處理工藝，介紹了國(guó)外第1代至第3代單晶合金成分與熱處理的關(guān)系以及最優(yōu)的熱處理?xiàng)l件。研究結(jié)果表明，升溫和冷卻速率對(duì)于單晶高溫合金的使用性能影響顯著。

    中南大學(xué)丁智平以鎳基單晶合金渦輪葉片的壽命分析為工程背景，研究了鎳基單晶合金的熱彈塑性行為和高溫低周疲勞性能，并利用有限元分析軟件預(yù)測(cè)了某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)鎳基單晶合金葉片的三維非線性循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變以及葉片的低周疲勞壽命。趙萍[10]將晶體塑性理論和非線性隨動(dòng)硬化規(guī)律應(yīng)用于低周疲勞研究，基于國(guó)內(nèi)第一代鎳基單晶高溫合金DD3，對(duì)其單軸、多軸疲勞開(kāi)展了研究，并建立了預(yù)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片低周疲勞的本構(gòu)模型。

    北京科技大學(xué)孟杰等研究了熱處理溫度與時(shí)間、變形程度及合金成分等多種因素對(duì)鎳基單晶高溫合金再結(jié)晶的影響規(guī)律，分析了再結(jié)晶對(duì)其蠕變和疲勞性能的影響。

    南京航空航天大學(xué)卿華等采用實(shí)驗(yàn)研究與有限元數(shù)值模擬方法相結(jié)合的方法對(duì)比分析了帶孔和不帶孔的某第二代鎳基單晶合金平板試樣的蠕變性能。研究結(jié)果表明，高溫蠕變下，平板試樣的晶體取向與是否開(kāi)孔對(duì)蠕變壽命有明顯的影響。

    綜上所述，國(guó)內(nèi)對(duì)單晶高溫合金的研究工作主要側(cè)重于單晶高溫合金蠕變、疲勞等力學(xué)性能、相關(guān)的熱處理工藝的研究，對(duì)于單晶高溫合金生長(zhǎng)過(guò)程中的缺陷預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化的研究鮮有報(bào)道。另外，對(duì)于單晶高溫合金生長(zhǎng)的機(jī)理研究幾乎存在空白。

    3 數(shù)值模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶高溫合金葉片領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

    用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用單晶高溫合金的定向凝固鑄件生產(chǎn)工藝復(fù)雜、控制要求高，因而通過(guò)試驗(yàn)研究單晶高溫合金葉片的成本較高，且研發(fā)周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以有效模擬單晶高溫合金的定向凝固生長(zhǎng)過(guò)程、預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化其微觀組織與缺陷情況，提高單晶高溫合金質(zhì)量、降低研發(fā)成本以及縮短研發(fā)時(shí)間。

    北京航空材料研究院薛明等模擬分析了空心渦輪葉片在定向凝固過(guò)程中陶瓷芯內(nèi)部的溫度分布，研究了陶瓷芯定位及型殼熱物性參數(shù)匹配的影響。李嘉榮等采用有限元模擬軟件計(jì)算了單晶合金定向凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)。楊亮等針對(duì)單晶高溫合金精鑄薄壁件制備困難的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬方法分析了DD6單晶高溫合金的定向凝固生長(zhǎng)過(guò)程。通過(guò)研究試件幾何形狀以及工藝參數(shù)對(duì)定向凝固生長(zhǎng)過(guò)程中溫度梯度以及糊狀區(qū)的影響，結(jié)果表明，幾何形狀對(duì)單晶高溫合金試樣的定向凝固生長(zhǎng)有重要影響，提高澆注溫度或降低軸拉速率有助于提高試樣固-液界面前沿液相溫度梯度或減小糊狀區(qū)的寬度。

    清華大學(xué)于靖等基于CA模型、枝晶生長(zhǎng)機(jī)理和熱量、溶質(zhì)傳輸方程，建立了定向凝固單晶高溫合金葉片的三維數(shù)值分析模型，考慮了多葉片之間以及加熱爐之間復(fù)雜的輻射換熱，模擬了不同抽拉速度下葉片內(nèi)部的溫度分布，并采用分層算法模擬了定向凝固單晶高溫合金葉片的微觀組織演變。Pan等基于有限差分法數(shù)值模擬了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶的定向凝固生長(zhǎng)。研究結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)改變回退率，可以既提高生產(chǎn)能力，又避免產(chǎn)生晶粒缺陷。張航等采用元胞自動(dòng)機(jī)以及有限差分法也對(duì)DD6高溫合金三維定向凝固枝晶生長(zhǎng)開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。

    在國(guó)外，單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)單位非常重視晶體生長(zhǎng)過(guò)程的全程整體預(yù)測(cè)以及晶體生長(zhǎng)缺陷的預(yù)測(cè)與優(yōu)化。為了適應(yīng)科研與生產(chǎn)的實(shí)際需要，結(jié)合傳熱與流體計(jì)算力學(xué)，國(guó)外開(kāi)展了單晶高溫合金生長(zhǎng)數(shù)值模擬分析軟件的研發(fā)工作，并在數(shù)值分析軟件的算法、預(yù)測(cè)精度與求解效率方面做了很多有益的探索研究。其中，比利時(shí)魯汶大學(xué)教授Fran?ois Dupret及其合作者做了諸多研究工作，并提出了卓有成效的晶體生長(zhǎng)全局?jǐn)?shù)值模擬算法。基于這些穩(wěn)健、高效的算法，Dupret教授主持開(kāi)發(fā)了晶體生長(zhǎng)數(shù)值模擬軟件FEMAG。該軟件可模擬提拉法、泡生法、區(qū)熔法、垂直布里奇曼法、垂直梯度凝固法、定向凝固法、熱交換法以及物理氣相傳輸法等晶體生長(zhǎng)工藝以及多物理場(chǎng)耦合仿真問(wèn)題。其中，F(xiàn)EMAG軟件的定向凝固法生長(zhǎng)工藝模擬功能頗具特色，通過(guò)集成定向凝固法生長(zhǎng)工藝條件的設(shè)置，不僅可以自動(dòng)捕捉晶體定向凝固過(guò)程中的固-液界面形狀與位置，還可以計(jì)算熔體對(duì)流和輻射傳熱、預(yù)測(cè)加熱器的功率以及計(jì)算氧雜質(zhì)濃度、控制晶體生長(zhǎng)的缺陷。

    利用FEMAG軟件可以有效模擬包括單晶高溫合金在內(nèi)的晶體定向凝固過(guò)程以及預(yù)測(cè)與控制晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量，其算法穩(wěn)健，計(jì)算精度高，求解效率高效。而相比而言，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有研制出同等高效、高精度模擬預(yù)測(cè)晶體定向凝固法生長(zhǎng)的數(shù)值分析軟件，在這方面的工作尚需國(guó)內(nèi)的研發(fā)人員加以重視，并努力提高晶體生長(zhǎng)模擬的研發(fā)水平，加快自主研發(fā)步伐，以縮小與國(guó)外的差距。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    作為高端裝備制造領(lǐng)域——航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的重要材料，單晶高溫合金的研發(fā)與生產(chǎn)應(yīng)用已日益深入。從國(guó)內(nèi)外單晶高溫合金的行業(yè)狀況看，單晶高溫合金的核心制造技術(shù)仍然為國(guó)外某些發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)水平仍明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)的同行工作。從研究的方法、研究狀況看，國(guó)內(nèi)外對(duì)單晶高溫合金的力學(xué)性能（蠕變、疲勞等）研究較多，采用的手段多為有限元數(shù)值模擬方法，在工藝方面也主要側(cè)重于對(duì)定向凝固法生長(zhǎng)單晶高溫合金的研究，對(duì)于有限元法以外的其他數(shù)值模擬方法、定向凝固法以外的其他生長(zhǎng)工藝方法研究頗少。對(duì)于單晶高溫合金生長(zhǎng)機(jī)理的理論研究則更為稀少，且難有重大的理論進(jìn)展突破。從單晶高溫合金生長(zhǎng)模擬分析軟件的研制工作看，國(guó)內(nèi)較國(guó)外而言，差距仍很顯著。

    為此，我們認(rèn)為，以下幾方面值得國(guó)內(nèi)從事單晶高溫合金研發(fā)與生產(chǎn)的相關(guān)人員參考：

    （1） 鑒于國(guó)內(nèi)在單晶高溫合金理論、工藝以及數(shù)值模擬分析方面研發(fā)相對(duì)落后的局面，國(guó)內(nèi)的相關(guān)工作者需要予以重視，并努力提高單晶高溫合金工藝及其實(shí)驗(yàn)、數(shù)值預(yù)測(cè)的研發(fā)水平，加快自主產(chǎn)權(quán)軟件的研發(fā)，努力縮小與國(guó)外同行的差距。

    （2） 國(guó)內(nèi)關(guān)于單晶高溫合金的研發(fā)與生產(chǎn)多為獨(dú)立進(jìn)行，多個(gè)單位與行業(yè)的合作較少，資源的配置利用較為分散。開(kāi)展多方合作研發(fā)，集中多方的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于核心技術(shù)的攻關(guān)、資源的高效配置以及研發(fā)效率的提高具有重要的促進(jìn)作用。

    （3）引進(jìn)、吸收、消化國(guó)外先進(jìn)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，開(kāi)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的晶體生長(zhǎng)數(shù)值分析軟件的研發(fā)工作，對(duì)于提升我國(guó)在單晶高溫合金數(shù)值模擬分析方面的技術(shù)水平與核心競(jìng)爭(zhēng)力具有現(xiàn)實(shí)的意義。

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