单晶高温合金行业现状及其数值模拟应用综述

总结我国单晶高温合金的研发状况、数值模拟技术在航空发动机用单晶高温合金制备工艺、性能评价等方面的应用，并提出改善我国单晶高温合金生长工艺与质量控制的努力方向.

关键词： 航空发动机叶片； 单晶高温合金； 制备工艺； 数值模拟

中图分类号： V263文献标志码： A

0引言

随着科学技术与社会经济的发展，航空航天行业呈现产品军民多样化、市场竞争日益激烈的态势.涡轮发动机叶片的质量是衡量航空航天产品性能的重要指标.单晶高温合金以其优异的高温抗疲劳、抗蠕变性能，已成为制造涡轮发动机叶片的重要材料.单晶高温合金的生产制备工艺、缺陷预测与控制是影响其工程实际应用的关键因素.传统一般采用实验方法研究上述问题，但实验往往成本高、周期长.随着计算机软、硬件技术的不断进步以及计算数学、计算力学等学科的交叉渗透，数值模拟技术作为实验法的辅助手段，已日益在涡轮发动机叶片等高端装备制造领域中得到广泛的应用.因此，了解单晶高温合金的行业现状及其数值模拟应用，对于了解产品的市场动向以及提高产品的质量与研发效率具有现实意义.

本文从国内外单晶高温合金的行业现状出发，结合单晶高温合金的制备工艺和性能评价等问题，介绍数值模拟技术在航空涡轮发动机叶片单晶高温合金中的应用，并提出改善发动机叶片单晶高温合金生长工艺与质量的数值模拟研究方向.

1国外单晶高温合金行业概况

目前，全球高温合金材料被广泛应用于各个工程领域，但总体而言，核心制造技术主要被为数不多的企业所占据.

全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，主要集中在美、英、日等国.[1]发达国家将航空航天领域的高温合金产品视为其长期发展的战略物资，严格控制对外出口.美国航空航天单晶高温合金的年产量约为5万t，其中约60%用于民用工业，其研发工艺和应用技术一直处于国际领先水平.主要高温合金企业的营业收入和营业利润均在波动中上升.在美国，生产高温合金水平较高的公司主要有GE，PrattWhitney，CannonMuskegon，Inco和Carpenter，其中GE公司能够自主研发与生产航空发动机用的高温合金[1].

英国是欧盟国家中高温合金研发和生产的主要代表.英国研发高温合金起步较早，其铸造合金技术非常先进，具有代表性的是Mond Nickel公司生产的Nimocast合金.后来该国RollsRoyceplc公司研制SRR2000和SRR2060等航空发动机用定向凝固单晶合金.该公司的主营业务收入和利润一直处于提升的状态.

日本近年来的单晶高温合金工艺发展迅速，在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金等方面取得较大成果，已成功开发出在1 200 ℃高温下能保持足够强度的新型耐高温合金.日本高温合金生产企业主要有IHI，JFE，新日铁和神户制钢等公司.

总体而言，发达国家美、英、日等国在研发与制备航空发动机用高温合金方面具有雄厚的技术实力，其核心技术领跑全球，值得国内单晶高温合金研发与生产人员参考借鉴.

2国内单晶高温合金行业现状

20世纪80年代初，中航工业北京航空材料研究院在国内率先开展单晶合金及叶片技术的研究，成功研制出我国第一代单晶高温合金DD3.20世纪90年代又成功研制出综合性能优异的第二代单晶高温合金DD6.DD6拉伸、持久、蠕变、疲劳、抗氧化及耐热耐腐蚀性能等均达到国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平.自成功研制出我国首件单晶空心涡轮叶片以来，中航工业北京航空材料研究院为多种型号先进航空发动机提供数万件单晶叶片，某些装配单晶涡轮叶片的发动机已随机翱翔于蓝天.

国内具有代表性的高温合金研发和生产企业见表1.

表 1国内高温合金研发和生产的主要企业

Tab.1Superalloy research and production enterprises in China单位高温合金业务简介钢研

高纳拥有技术、资金、市场和规模等优势；产品涵盖铸造、变形、新型高温合金等；铸造高温合金的产能近2 000 t，变形高温合金产能超过150 t，粉末高温合金产能近100 t，ODS合金、核电等新型高温合金产能近100 t抚顺

特钢国内老牌高温合金生产企业，产品主要以变形高温合金为主，规模国内最大；高温合金产能近3 000 t，民用产品约占40%，高温合金营业收入近6亿元宝钢

特钢国内老牌的高温合金生产企业，民用产品占比高，但也生产GH4169和GH738等航空航天用变形高温合金；其高温合金产量超过1 000 t长城

特钢以一般的变形高温合金产品为主齐齐哈

尔特钢以生产一般的民用变形高温合金产品为主北京航

材院技术实力出众，主要从事飞机、发动机和直升机用材料、工艺、检测技术研究，具有高性能材料小批量生产和高难度重要部件的研发能力，在高温合金单晶叶片领域具备较强科研与生产实力沈阳金

属所以国家重大攻关项目研究为主，涉及高温合金等高端装备材料研发等领域

国内高校及相关企业在耐高温单晶合金方面也开展相关工作.

燕平等[2]对DD402（CMSX2）单晶合金标准热处理状态组织及850 ℃下500，1 500和3 000 h时效的组织进行显微观察和比较，测定长期时效后的高温持久性能.DD402单晶合金属于第一代单晶合金，已成功应用于某发动机的Ⅰ级涡轮叶片.为提高我国航空发动机的质量，钢铁研究总院和南方航空动力机械公司共同开展DD402单晶合金及其Ⅰ级单晶涡轮叶片的研制工作.

北京航空材料研究所在单晶高温合金的研制方面也开展很多工作.陈荣章[3]总结分析单晶高温合金的发展现状，认为从20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功以来，单晶合金的发展甚为迅速，第二代、第三代单晶合金相继出现和应用，为航空发动机的性能提高作出重要贡献.单晶高温合金在先进涡轮发动机叶片中的应用日益扩大，但客观而言，我国在单晶合金工艺研究方面仍落后于当前国际先进水平.张勇[4]介绍一种加矿化剂的单晶壳型.该壳型具有高强度、壁薄且均匀的特点，已成功应用于浇注单晶叶片.张兵等[5]基于近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶行为的研究，总结定向凝固和单晶高温合金再结晶的主要影响因素，包括热处理温度与时间、第二相粒子、变形温度等.李影等[6]总结镍基单晶高温合金的反常屈服行为，并讨论导致产生这种反常屈服行为的变形机制以及这些变形机制的发展过程.

中国科学院金属研究所的刘春廷等[7]采用低压气相沉积法，在镍基高温合金DD32上制备铝化物涂层.在900和1 000 ℃氧化500 h后，表面氧化膜为致密的αAl2O3和针状的θAl2O3.氧化后的铝化物涂层外层为βNi3Al，内层（扩散层）母体为Ni3Al.

朱鸥等[8]总结国内外航空发动机用单晶高温合金的热处理工艺，介绍国外第一代至第三代单晶合金成分与热处理的关系以及最优的热处理条件.研究结果表明：升温和冷却速率对于单晶高温合金的使用性能影响显著.

丁智平[9]以镍基单晶合金涡轮叶片的寿命分析为工程背景，研究镍基单晶合金的热弹塑性行为和高温低周疲劳性能，并利用有限元分析软件预测某发动机涡轮盘镍基单晶合金叶片的三维非线性循环应力应变以及叶片的低周疲劳寿命.赵萍[10]将晶体塑性理论和非线性随动硬化规律应用于低周疲劳研究，基于国内第一代镍基单晶高温合金DD3，对其单轴、多轴疲劳开展研究，并建立预测航空发动机单晶叶片低周疲劳的本构模型.

孟杰等[11]研究热处理温度与时间、变形程度及合金成分等多种因素对镍基单晶高温合金再结晶的影响规律，分析再结晶对其蠕变和疲劳性能的影响.

卿华等[12]采用实验研究与有限元数值模拟方法相结合的方法对比分析带孔和不带孔的某第二代镍基单晶合金平板试样的蠕变性能.研究结果表明：在高温蠕变下，平板试样的晶体取向与是否开孔对蠕变寿命有明显的影响.

综上所述，国内对单晶高温合金的研究工作主要侧重于单晶高温合金蠕变、疲劳等力学性能及相关的热处理工艺的研究，对于单晶高温合金生长过程中的缺陷预测、控制与优化的研究鲜有报道.另外，对单晶高温合金生长机理的研究几乎空白.

3数值模拟技术在航空发动机单晶高温合金叶片领域中的应用现状用于制造航空发动机涡轮叶片单晶高温合金的定向凝固铸件生产工艺复杂、控制要求高，因而通过实验研究单晶高温合金叶片的成本较高且研发周期长.随着计算机软硬件技术的进步，数值模拟技术发展迅速，在工业领域已得到广泛应用.利用数值模拟技术，可以有效模拟单晶高温合金的定向凝固生长过程，预测、控制与优化其微观组织与缺陷情况，提高单晶高温合金质量、降低研发成本并缩短研发时间.

薛明等[13]模拟分析空心涡轮叶片在定向凝固过程中陶瓷芯内部的温度分布，研究陶瓷芯定位及型壳热物性参数匹配的影响.李嘉荣等[14]采用有限元模拟软件计算单晶合金定向凝固过程中的温度场.杨亮等[15]针对单晶高温合金精铸薄壁件制备困难的问题，采用数值模拟方法分析DD6单晶高温合金的定向凝固生长过程.通过研究试件几何形状以及工艺参数对定向凝固生长过程中温度梯度和糊状区的影响，结果表明：几何形状对单晶高温合金试样的定向凝固生长有重要影响，提高浇注温度或降低轴拉速度有助于提高试样固液界面前沿液相温度梯度或减小糊状区的宽度.

于靖等[16]基于CA模型、枝晶生长机理和热量、溶质传输方程，建立定向凝固单晶高温合金叶片的三维数值分析模型，考虑多叶片之间以及加热炉之间复杂的辐射传热，模拟不同抽拉速度下叶片内部的温度分布，并采用分层算法模拟定向凝固单晶高温合金叶片的微观组织演变.PAN等[17]基于有限差分法数值模拟航空发动机用单晶的定向凝固生长.研究结果表明：通过适当改变回退率，可以既提高生产能力，又避免产生晶粒缺陷.张航等[18]采用元胞自动机以及有限差分法对DD6高温合金三维定向凝固枝晶生长开展数值模拟研究.

在国外，单晶高温合金研发与生产单位非常重视晶体生长过程的全程整体预测以及晶体生长缺陷的预测与优化.为适应科研与生产的实际需要，结合传热与流体计算力学，开展单晶高温合金生长数值模拟分析软件的研发工作，并在数值分析软件的算法、预测精度与求解效率方面进行很多有益的探索研究，其中，DUPRET等[1920]开展诸多研究工作，并提出卓有成效的晶体生长全局数值模拟算法.基于这些稳健、高效的算法，DUPRET教授主持开发晶体生长数值模拟软件FEMAG.该软件可模拟提拉法、泡生法、区熔法、垂直布里奇曼法、垂直梯度凝固法、定向凝固法、热交换法和物理气相传输法等晶体生长工艺以及多物理场耦合仿真问题.其中，FEMAG软件的定向凝固法生长工艺模拟功能颇具特色，通过集成定向凝固法生长工艺条件的设置，不仅可以自动捕捉晶体定向凝固过程中的固液界面形状与位置，还可以计算熔体对流和辐射传热、预测加热器的功率以及计算氧杂质浓度、控制晶体生长的缺陷.

利用FEMAG软件可以有效模拟包括单晶高温合金在内的晶体定向凝固过程以及预测与控制晶体生长的质量，其算法稳健，计算精度高，求解效率高.而相比而言，国内尚未研制出同等高效、高精度模拟预测晶体定向凝固法生长的数值分析软件，这方面的工作尚需国内的研发人员加以重视，并努力提高晶体生长模拟的研发水平，加快自主研发步伐，以缩小与国外的差距.

4结束语

作为高端装备制造领域航空发动机涡轮叶片的重要材料，单晶高温合金的研发与生产应用已日益深入.从国内外单晶高温合金的行业状况看，单晶高温合金的核心制造技术仍然为国外某些发达国家所掌握，研发与生产技术水平仍明显优于国内同行的工作.从研究方法和状况看，国内外对单晶高温合金的力学性能（蠕变、疲劳等）研究较多，采用的手段多为有限元数值模拟方法，在工艺方面也主要侧重于对定向凝固法生长单晶高温合金的研究，对于有限元法以外的其他数值模拟方法、定向凝固法以外的其他生长工艺方法研究颇少.对于单晶高温合金生长机理的理论研究则更少，且难有重大的理论进展突破.从单晶高温合金生长模拟分析软件的研制工作看，国内较国外而言，差距仍很显著.

为此，以下几方面值得国内从事单晶高温合金研发与生产的相关人员参考.

1）针对国内在单晶高温合金理论、工艺以及数值模拟分析方面研发相对落后的局面，国内的相关工作者需要予以重视，并努力提高单晶高温合金工艺及其实验、数值预测的研发水平，加快自主产权软件的研发，努力缩小与国外同行的差距.

2）国内关于单晶高温合金的研发与生产多为独立进行，多个单位与行业的合作较少，资源的配置利用较为分散.开展多方合作研发，集中多方的研发优势，对于核心技术的攻关、资源的高效配置以及研发效率的提高具有重要的促进作用.

3）引进、吸收和消化国外先进的研发经验与技术，开展拥有自主知识产权的晶体生长数值分析软件的研发工作，对于提升我国在单晶高温合金数值模拟分析方面的技术水平与核心竞争力具有现实意义.参考文献：

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