單晶高溫合金行業現狀及其數值模擬有什麼應用？
01-24
1 國外單晶高溫合金行業概況目前，全球高溫合金材料被廣泛應用於各個工程領域，但總體而言，核心製造技術主要被為數不多的企業所佔據。據文獻[1]報道，全球範圍內能夠生產航空航天用高溫合金的企業不超過50 家，主要集
中在美、英、日等國。發達國家將航空航天領域的高溫合金產品視為其長期發展的戰略物資，
嚴格控制對外出口。美國航空航天用單晶高溫合金的年產量約為5 萬噸，其中約60%用於民用工業，其研發工藝和應用技術一直處於國際領先水平。主要高溫合金企業的營業收入和營業利潤均在波動中上升。在美國，生產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 公司能夠自主研發與生產航空發動機用的高溫合金[1]。英國是歐盟國家中高溫合金研發和生產的主要代表。英國研發高溫合金起步較早，其鑄造合金技術非常先進，具有代表性的是Mond Nickel 公司生產的Nimocast 合金。後來該國Rolls-Royceplc 公司研製了SRR2000 和SRR2060 等航空發動機用定向凝固單晶合金。近年該公司的主營業務收入和利潤一直處於提升的狀態。日本近年來的單晶高溫合金工藝發展快速，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，已成功開發出在1200℃高溫下能保持足夠強度的新型耐高溫合金。日本高溫合金生產企業主要有IHI、JFE、新日鐵和神戶制鋼等公司。總體而言，發達國家美、英、日等國在研發與製備航空發動機用高溫合金方面具有雄厚的技術實力，其核心技術領跑全球，值得國內單晶高溫合金研發與生產人員參考借鑒。2 國內單晶高溫合金行業現狀20 世紀80 年代初，中航工業航材院在國內率先開展了單晶合金及葉片技術的研究，成功研製了我國第一代單晶高溫合金DD3。20 世紀90 年代又成功研製了綜合性能優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到了國外廣泛應用的第二代單晶合金的性能水平。自成功研製我國首件單晶空心渦輪葉片以來，中航工業航材院為多種型號先進航空發動機提供了數萬件單晶葉片，某些裝配單晶渦輪
葉片的發動機已翱翔於藍天。國內具有代表性的高溫合金研發和生產企業如表1 所示。
單晶合金及其Ⅰ級單晶渦輪葉片的研製工作。
北京航空材料研究所在單晶高溫合金的研製方面做了很多工作。陳榮章[3]總結分析了單晶高溫合金的發展現狀，認為從20 世紀80 年代初第一代單晶高溫合金研製成功以來，單晶合金的發展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現和應用，為航空發動機的性能提高作出了重要貢獻。單晶高溫合金在先進渦輪發動機葉片中的應用日益擴大。但客觀而言，我國在單晶合金工藝研究方面仍落後於當前國際先進水平。張勇[4]介紹了一種加礦化劑的單晶殼型。該殼型具有高強度、壁薄而均勻的特點，已應用成功於澆注單晶葉片。張兵等[5]基於近年來國內外對於定向凝固和單晶高溫合金再結晶行為的研究，總結了定向凝固和單晶高溫合金再結晶的主要影響因素，包括熱處理溫度與時間、第二相粒子、變形溫度等。李影等[6]總結了鎳基單晶高溫合金的反常屈服行為，並討論了導致產生這種反常屈服行為的變形機制以及這些變形機制的發展過程。
中國科學院金屬研究所劉春廷等[7]採用低壓氣相沉積法，在鎳基高溫合金DD32 上製備鋁化物塗層。在900℃、1000℃氧化500 小時後，表面氧化膜為緻密的α-Al2O3 和針狀的θ-Al2O3。氧化後的鋁化物塗層外層為β-Ni3Al，內層（擴散層）母體為Ni3Al。中國商用飛機公司朱鷗等[8]總結了國內外航空發動機用單晶高溫合金的熱處理工藝，介紹了國外第1 代至第3 代單晶合金成分與熱處理的關係以及最優的熱處理條件。研究結果表明，升溫和冷卻速率對於單晶高溫合金的使用性能影響顯著。中南大學丁智平[9]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，並利用有限元分析軟體預測了某發動機渦輪盤鎳基單晶合金葉片的三維非線性循環應力—應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硬化規律應用於低周疲勞研究，基於國內第一代鎳基單晶高溫合金DD3，
對其單軸、多軸疲勞開展了研究，並建立了預測航空發動機單晶葉片低周疲勞的本構模型。北京科技大學孟傑等[11]研究了熱處理溫度與時間、變形程度及合金成分等多種因素對鎳基單晶高溫合金再結晶的影響規律，分析了再結晶對其蠕變和疲勞性能的影響。南京航空航天大學卿華等[12]採用實驗研究與有限元數值模擬方法相結合的方法對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。研究結果表明，高溫蠕變下，平板試樣的晶體取向與是否開孔對蠕變壽命有明顯的影響。綜上所述，國內對單晶高溫合金的研究工作主要側重於單晶高溫合金蠕變、疲勞等力學性能、相關的熱處理工藝的研究，對於單晶高溫合金生長過程中的缺陷預測、控制與優化的研究鮮有報道。另外，對於單晶高溫合金生長的機理研究幾乎存在空白。3 數值模擬技術在航空發動機單晶高溫合金葉片領域中的應用現狀
用於製造航空發動機渦輪葉片用單晶高溫合金的定向凝固鑄件生產工藝複雜、控制要求高，因而通過試驗研究單晶高溫合金葉片的成本較高，且研發周期長。隨著計算機軟硬體技術的進步，數值模擬技術發展迅速，在工業領域已得到了廣泛的應用。利用數值模擬技術，可以有效模擬單晶高溫合金的定向凝固生長過程、預測、控制與優化其微觀組織與缺陷情況，提高單晶高溫合金質量、降低研發成本以及縮短研發時間。北京航空材料研究院薛明等[13]模擬分析了空心渦輪葉片在定向凝固過程中陶瓷芯內部的溫度分布，研究了陶瓷芯定位及型殼熱物性參數匹配的影響。李嘉榮等[14]採用有限元模擬軟體計算了單晶合金定向凝固過程中的溫度場。楊亮等[15]針對單晶高溫合金精鑄薄壁件製備困難的問題，採用數值模擬方法分析了DD6 單晶高溫合金的定向凝固生長過程。通過研究試件幾何形狀以及工藝參數對定向凝固生長過程中溫度梯度以及糊狀區的影響，結果表
明，幾何形狀對單晶高溫合金試樣的定向凝固生長有重要影響，提高澆注溫度或降低軸拉速率有助於提高試樣固-液界面前沿液相溫度梯度或減小糊狀區的寬度。清華大學于靖等[16]基於CA 模型、枝晶生長機理和熱量、溶質傳輸方程，建立了定向凝固單晶高溫合金葉片的三維數值分析模型，考慮了多葉片之間以及加熱爐之間複雜的輻射換熱，模擬了不同抽拉速度下葉片內部的溫度分布，並採用分層演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[17]基於有限差分法數值模擬了航空發動機用單晶的定向凝固生長。研究結果表明，通過適當改變回退率，可以既提高生產能力，又避免產生晶粒缺陷。張航等[18]採用元胞自動機以及有限差分法也對DD6 高溫合金三維定向凝固枝晶生長開展了數值模擬研究。在國外，單晶高溫合金研發與生產單位非常重視晶體生長過程的全程整體預測以及晶體
生長缺陷的預測與優化。為了適應科研與生產的實際需要，結合傳熱與流體計算力學，國外開展了單晶高溫合金生長數值模擬分析軟體的研發工作，並在數值分析軟體的演算法、預測精度與求解效率方面做了很多有益的探索研究。其中，比利時魯汶大學教授Fran?ois Dupret及其合作者做了諸多研究工作，並提出了卓有成效的晶體生長全局數值模擬演算法[19,20]。基於這些穩健、高效的演算法，Dupret 教授主持開發了晶體生長數值模擬軟體FEMAG。該軟體可模擬提拉法、泡生法、區熔法、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工藝以及多物理場耦合模擬問題。其中，FEMAG 軟體的定向凝固法生長工藝模擬功能頗具特色，通過集成定向凝固法生長工藝條件的設置，不僅可以自動捕捉晶體定向凝固過程中的固-液界面形狀與位置，還可以計算熔體對流和輻射傳熱、預測加熱器的功率以及計算氧雜質濃度、控制晶體生長的缺陷。利用FEMAG 軟體可以有效模擬包括單晶高溫合金在內的晶體定向凝固過程以及預測與控制晶體生長的質量，其演算法穩健，計算精度高，求解效率高效。而相比而言，國內尚沒有研製出同等高效、高精度模擬預測晶體定向凝固法生長的數值分析軟體，在這方面的工作尚需國內的研發人員加以重視，並努力提高晶體生長模擬的研發水平，加快自主研發步伐，以縮小與國外的差距。鋼研院跟航材院相比，哪家實力強？dd6和dd407，dd416有什麼區別？ODS國內有哪幾家在做呀，跟國外差距大嗎？
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