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1、GH3039
GH3039
1.1實驗材料與刀具,1、切削實驗,2、分析,單因素銑削力測量實驗結果,如圖2所示。
根據銑削力曲線可以看出,在銑削過程中Fx與Fy遠大于Fz,其中速度對Fx影響最大,x向銑削力隨速度的增加而減小,這是因為隨著切削速度的提高,材料的熱軟化等因素造成的,對銑削力特征分析可知。
Fy主要反映工件的回彈,隨著切削速度的提高,后刀面對已加工表面的擠壓程度隨之增加,故在一定程度上會導致Fy的增加(圖2a),隨著每齒進給量的增加。
銑削力均呈增加的趨勢(圖2b),因為進給量增大,切削厚度增大,所以切削面積增大,力量也隨之增大。
隨著側吃刀量的增加,刀具和工件接觸的圓弧長度增加,使刀具的銑削面積增大,從而刀具和工件間的摩擦力增大(圖2c),通過銑削實驗對高溫合金GH3039進行了分析探討,得到了GH3039銑削力隨切削參數變化的規律,建立了銑削力的經驗公式,并進行了實驗驗證。
實驗結果為進一步研究GH3039刀具磨損、切屑形態,目前,國內外學者對GH4169(Inenel718)、K,然而針對GH3039的銑削加工依然缺乏系統的研究工,在實際生產時需借鑒其他類型高溫合金材料的生產經驗,限制了實際的加工效率及加工精度,增加了加工成本。
為了保證生產的正常進行,對其加工性能進行研究就具有非常重要的意義,0、引言,為驗證公式(1)的準確性,選取4組數據進行校驗,結果如表3所示。
經計算,Fx和Fy的平均相對誤差分別為9.76%和9.83,兩者均小于10%,說明理論公式預測值同實驗測量值符合的較好,因此,x、y方向銑削力經驗公式在當前的加工條件下是適用的,Fz平均相對誤差δz為80.02%。
遠遠大于10%,因此,z向銑削力經驗公式不適合當前的加工條件,因z向銑削力比x、y向銑削力小很多,在實際加工中可將其忽略,1.3實驗方案,GH3039是一種多元合金。
其主要化學成分如表1所示,GH3039高溫合金切削性能較差,為保證表面加工質量,降低加工成本,對其切削加工過程進行分析研究。
試樣尺寸為75mm×38mm×34mm,其中,Kx、Ky、Kz為修正系數,根據表2,采用多元線性回歸分析的方法,建立GH3039材料銑削力經驗公式,應用多元線性回歸法進行擬合,可得出指數形式銑削力公式:。
3、結束語,實驗機床為奧地利MC120-60型數控立式加工中心,主軸功率22.5kW,轉速為50~12000r/min,刀具采用直徑為8mm的SANDVIK整體硬質合金立,刀齒數為3,測試系統采用型號為9257B的三向KISTLER測。
如圖1所示,其中,Fx、Fy、Fz分別為軸向力、徑向力和切向力,2.2建立銑削力經驗公式,1.2實驗設備及參數,2.1切削參數對銑削力的影響,硬質合金刀具具有良好的韌性和導熱性,已廣泛應用于高溫合金的切削加工。
該種材料刀具在切削高溫合金材料時切削速度一般為10,當速度超過30m/min時,切削區溫度升高,容易導致材料軟化和刀刃變形,使刀具失效,GH3039是我國1958年為配合航空發動機的生產。
通常用作燃燒室中的火焰筒材料,GH3039具有優異的綜合性能,但切削加工性差,主要表現在切削力大、加工硬化現象明顯、刀具磨損快等,高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600℃以上高溫抗氧化或抗腐蝕,并能在一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。
其主要特點是含有較多的高熔點、高激活能量合金元素,并具有優良的熱強度、熱穩定及熱疲勞性能,高溫合金廣泛應用于航空、航天、艦船、動力及石油化工,是火箭發動機和航空噴氣發動機中的關鍵材料,銑削力經驗模型為:。
在研究GH3039高溫合金銑削性能時,銑削方式為順銑,實驗選取高于常規值的切削參數,銑削方案為:一是針對切削參數(vc,fz,ae)的單因素實驗,分析切削參數對銑削力的影響,切削速度vc取30、40、50、60、70、80m。
每齒進給量fz取0.02、0.04、0.06、0.,側吃刀量ae取0.6、0.7、0.8、0.9、1.,二是4因素4水平正交實驗,如表2所示,其中。
ap為背吃刀量。
高溫合金產業研究:產業升級疊加國產替代加速行業發展
渦輪葉片是渦輪發動機中工作條件最惡劣也是最關鍵的部,在承受 高溫的同時要承受很大的離心應力、振動應力、,渦輪導向 葉片用來調整燃燒室出來的燃氣流向,是渦輪發動機上承受溫度最 高、熱沖擊最大的零部件,渦輪葉片和導向葉片一般采用定向晶、單 晶高溫合金,相比于民用航空發動機。
軍用航空發動機渦輪級數更少,例如 PW 公 司提供給 F-22 戰機的 F11,僅有 1 級高壓渦輪和 1 級低壓渦 輪,以每級各需要 100 片渦輪葉片和導向葉片估算,單臺航空發動機 所需渦輪葉片和導向葉片共約 400,2020 年。
國內汽車產量達 2522.5 萬輛,根據每萬輛汽車渦輪增壓器 高溫合金用量約為 3.5,2020 年汽車領域的高溫合金用量達到 8829 ,定向凝固高溫合金是通過定向凝固技術制備出晶界平行于,定向凝 固工藝始于 20 世紀 60 年代中期,美國 P&W 公司發明了這一工藝并 用于生產鎳基合。
可提高葉片工作溫度約 50℃,我國定向凝固柱晶高溫合金的研制始于 20 世紀 7,目前已研制和生產了多種定向凝固柱晶合金,并在多種型號的發動機上使用,核工業使用的高溫合金可以分為堆內使用和堆外使用兩類。
堆內使用 材料需考慮其輻照性能,結構材料多采用耐輻照性能更好的鋯合金,包括燃料元件包殼材料、燃料棒定位格架條帶等,格架條帶彈簧雖采 用鎳基高溫合金但整體用量不大,堆外蒸發器“U”形管材料為鎳基高溫合金 GH690,1400MW 功率的 CAP1400 機組蒸發器“,航空發動機的成本主要由原材料成本、勞動力成本兩部分,占比 分別為 40%-60%、25%-35%。
航空發動機使用的原材料主要是高溫合 金、鈦合金等,其中高溫合金價值占比約為 35%,高溫合金占航空發 動機成本的 14%-21%,國內高溫合金材料利用率亟待提升,國外薄壁類環件零件用毛坯的成形 采用精密軋制加脹形,鍛件形狀與零件非常接近。
材料利用率很高,而國內環件零件用毛坯大部分采用矩形截面的軋環,材料利用率很低,特別是機匣類零件材料利用率不足 10%,目前雖有部分鍛件已采用異形 截面的軋環,但無論從形狀相近程度還是余量上均與國外存在著很大的,國外已經采用環件軋制方法來生產薄壁環件。
環件精確輾軋技術 具有精化程度高、整體成形等優點,如美國 IN718 合金高筒薄壁環材料 利用率達 ,高溫合金材料利用率的提升將有助于緩解國內高 溫合金,目前我國燃氣輪機整體水平與國際先進水平相差很大,尚未形成嚴格 意義上的燃氣輪機產業。
遠未具備先進燃氣輪機自主開發和制造的能 力,總體水平落后 20~30 年,在重型燃氣輪機方面,與國外相比,我國主要差距是沒有掌握核心設 計技術、熱端部件制造,從核心技術自主研發綜 合能力角度看,全行業整體大大落后于國際先進水平,K418 合金是用量較大的鑄造高溫合金。
已廣泛應用于制作航空、地 面和海上燃氣輪機渦輪工作,航天彈用發 動機的整鑄渦輪轉子和導向器,以及柴油機和汽油機增壓渦輪,K4169 合金由變形高溫合金 GH4169 發展,具有含鈮、鐵量高的 顯著特點,在很寬的中低溫度范圍(-253~650℃)具有較高,2003 年至 2013 年。
通過三次打捆招標以及后續招標,東方、哈爾濱、南京、上海等 動力設備制造企業分別引,進行本地化制造,經過國產化四個階段和合資熱部 件企業,完成重型燃機的整機生產,在航改型燃氣輪機方面。
我國目前形成批量生產的只有 1993 年從烏 克蘭,1998 年開始以 QC280 型號進行 國產化,在 2003 年裝備 052B“武漢”驅逐艦試用,目前 QC280 已交 付 70 多臺,返廠修理周期為 5000h,而歐美同功率級別的燃氣輪機返 廠維修周期達到 25。
兩者差距較大,該型燃氣輪機的穩定性也遠 不如歐美的產品,(報告來源:未來智庫),中國航空發動機集團有限公司四川燃氣渦輪研究院、中國,在 2010 年第八屆珠海航展上,中國 航天科工集團第三研究院展示了 CTJ-1 和,宣傳資料顯示,CTJ-1 發動機。
推力級別為 110daN,主要由 1 級離心壓氣機、折流環形燃燒室和 1 級,具有體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高的特點,已用于 C705 反艦導 彈,CTJ-2 發動機,推力級別為 400daN。
采用 3 級軸流壓氣機、直流環 形燃燒室和 1 級,結構簡單、推重比大、抗進氣畸變能力強,已在 C802 系列反艦導彈上成功應用,(2)渦輪葉片和導向葉片:定向晶、單晶鑄造高溫合金,國內增壓器渦輪毛坯主要是以精密鑄造為主的鎳基高溫合,我國廣 泛使用的渦輪材料是自行研制的 K213、K,鑄造高溫合金由于其具有足夠的熱強度、熱穩定性、良好。
單晶高溫合金是采用定向凝固和選晶(籽晶)技術制造的,柱晶和單晶高溫合金的生產難度大,但可有 效提升發動機葉片的服役性能,單晶葉片配合有效的防護涂層,可使 航空發動機推重比達到 10,目前先進發動機渦輪葉片均采用單晶高溫 合金,用作渦輪盤的高溫合金為屈服強度很高、細晶粒的變形高。
渦輪盤常用變形高溫合金包括 GH4133A、GH4,隨著鎳基高溫合金成分日趨復雜、零件尺寸不斷增大,傳統的高合金 化鎳基高溫合金渦輪盤材料合金中偏析嚴,組織不均勻,熱工藝性 能惡化,常規鑄造和變形工藝都無法滿足新型發動機對盤件的需要,利用粉末冶金技術生產高溫合金。
可以使合金晶粒細小、偏析輕、成 分均勻、性能大幅提,北京航空材料研究院研制的鑄造高溫合金約占全國鑄造高,成為我國鑄造高溫合金系列的主體部分,其中 K401 合 金是在 1958 年由張祖謙等,用于當時 的 WP6 發動機制作渦輪導向葉片,開創了我國研究鑄造高溫合金的 歷史,其他鑄造高溫合金研制單位還包括鋼鐵研究總院、中科院,葉片材料方面。
燃氣輪機葉片的工作環境在某些方面較航空發動機葉 片,燃氣含硫、鈉等雜質,造成熱腐蝕,對高溫合金部件破 壞作用大,燃機葉片壽命通常達幾萬乃至幾十萬小時。
承受基本載荷 的時間長,重型燃氣輪機葉片尺寸大、質量大,因此,燃氣輪機用高 溫合金需要具有更好的耐熱腐蝕性能、長,航空發動機的壓氣機機匣、渦輪機匣、結合環、安裝邊、,按 價值計算,航空發動機環形鍛件約占航空發動機價值的 6%,渦輪后機匣、預旋噴嘴、發動機燃燒室浮動壁瓦塊、前置。
目前,大型復雜薄壁高溫合金精密鑄件已成功應用于 CFM5,高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域,由于其有優良的耐高 溫、耐腐蝕等性能,逐漸被應用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原 子能等。
從而大大的拓展了高溫合金材料的應用領域,隨著 高溫合金材料的發展,新型高溫合金材料的出現,高溫合金的市場需 求處于逐步擴大和增長狀態,當前,全球每年高溫合金需求約 28 萬噸。
被廣泛應用于航空航天、 艦船、兵器、核電、超超臨界,其中航空航天領域用量最大,占總需求量的 55%,其次是工業燃氣輪 機(20%)和艦船(10%)等,2.1 航空發動機:高溫合金最主要的需求,(報告出品方/作者:方正證券,鮑學博)。
根據航發集團“三輕一重”燃氣輪機產品發展規劃,用于常規分布式 發電的 7MW 級 QD70 輕型,15MW 級 QD185 燃氣輪機預計在 2025,船 用型完成研制,可用于整體煤氣化聯合循環發電(IGCC)電站的 1,用于管道增壓/發電用的 30MW 級 QJ/QD2,渦輪發動機可用于先進巡航、反艦和空地導彈上,一般具有低成本、小 尺寸、短壽命的特點。
以渦輪噴氣和渦輪風扇作為主發動機的導彈具有 明顯優,相比固體火箭發動機,可顯著提升導彈射程,美國、法國、 俄羅斯、烏克蘭、以色列、土耳其、日本,相繼推出了多種型號并投入使用,定 向空心無余量復雜型腔的渦輪葉片已在先進航空發動,按原有普通鑄造合金成分,與定向凝固技術相結合而發展的合金。
例 如 DZ3、DZ5 等,分別是在普通鑄造高溫合金 K403 和 K405 ,采用定向凝固技術研制而成的定向凝固鎳基鑄造高溫合金,DZ3 合金與普通鑄造合金 K403 比,750~850℃的拉伸塑性提高 2~3 倍。
持 久強度提高 60~130MPa,熱疲勞壽命提高近 100 倍,僅考慮乙烯裂解爐管需求,“十四五”對高溫合金需求預計在 4.41 萬 噸,“十三五”期間,中國乙烯產能從 2200 萬噸/年增加 60%至 。
2020 年,恒力石化、寶來石化、中化泉州等大乙烯項目先 后投產,中國乙烯產能大幅提高,總產能較 2019 年增長 21%,“十四 五”期間,國內新增乙烯產能約高達 3832 萬噸/年,新建產能較“十 三五”高出 191%,一般一臺 10 萬噸產能的乙烯裂解爐中裂解爐管為 。
據此估算,“十四五”新建乙烯產能所需裂解爐管為 22992 ,根據乙烯生產設備的運行周期,每 5-6 年左右需進行一次大修,預計“十四五”期間,共有 21108 噸存量乙烯設備存在備件需求,合 計達 44100 噸。
對于渦輪盤,重型燃氣輪機渦輪盤尺寸遠大于航空發動機渦輪盤,對 于材料成型性能和耐高溫性能的匹配要求更高,例如,采用 GH4698 等僅能制造直徑達 1200mm,重量不超過 2t 的輪盤鍛件,而采用 GH2674 和 In706 合金雖然可以,但缺點是使用溫度低、長期穩定性差。
因此,燃氣輪機用 高溫合金與航空發動機用高溫合金材料各自,也有交叉之處,2.1.1 航空發動機熱端部件對高溫合金的需求各不,燃氣輪機是繼蒸汽輪機和內燃機之后的新一代動力裝置,具有熱效率 高、經濟性好、機動性好、可靠性高、壽命,燃氣輪 機可分為三類:1)微型燃氣輪機,主要替代柴油機用于機車和坦克。
2)輕型燃氣輪機,功率在 1MW 以上、50MW 以下,應用于循環發電、 石油和天然氣的管道運輸,鋼廠的焦爐廢氣再次燃燒,以及艦船等,歐美艦艇燃氣輪機裝配率在 50%以上,3)重型燃氣輪機,功率在 50MW 以上。
主要用于大型艦船和區域發電,燃氣輪機的結構與航空發動機相近,其渦輪盤、渦輪葉片、渦輪機匣 等需要高溫合金來制造,1.3 粉末高溫合金:主要用于高壓渦輪盤等,1.2 鑄造高溫合金:合金化程度更高。
用量少而精,2.3.1 汽車渦輪增壓器,渦輪增壓器技術在汽車工業中的廣泛應用已成為提高發動,渦輪增壓器能夠增加空氣 密度,增加氣缸內的進氣量,提高發動機熱效率,從而提高發動機的 輸出效率,汽車渦輪增壓器的工作溫度約 600℃。
是高溫合金的應用 領域之一,國外渦輪增壓技術已趨于成熟,在軍事、農業、民用等領域取得了極 大進步,國外用于增壓渦輪的材料主要包括 Inconel71,國內從事燃氣輪機研制生產的單位主要包括:東方汽輪機,變形高溫合金的熱加工塑性較好,可以在鍛軋機械的外力作用下塑性 變形為特定形狀和尺。
在固溶、時效狀態下的高溫強 度優異,其需求量約占高溫合金的 70%,在航空、航天、核工程、能 源動力、交通運輸、石油化,不同的變形高溫合金牌號對應的化學成分存在差異,針對航空航天、 艦船、能源電力、燃氣輪機、石油石化,其所側重的使用 性能也不同,主要的性能要求有高溫熱穩定性能、抗疲勞蠕變性能、 ,(1)燃燒室:以變形高溫合金為主。
2.1.2 航空發動機對高溫合金材料的需求估算,繼高溫合金在民用工業的一些領域,如柴油機增壓渦輪、煙氣輪機葉 片和盤、冶金軋鋼加熱,近年來,高溫合金應用面不斷擴大。
特別是耐高溫耐腐蝕合金在石油 化工、玻璃和玻纖以及,高溫合金主要應用于石化、冶金、玻璃、熱處理等行業所,其使用溫度可達 1000℃以上,精選報告來源:【未來智庫】,未來智庫 - 官方網站,在使用過程中發現問題后調整成分研制而成的合金,如 DZ4 合金,是 在 DZ3 用于薄壁葉片在鑄造過程中暴露出較嚴。
根據合 金化原理和凝固理論,綜合考慮合金強度、可鑄性、組織穩定性、抗 腐蝕性等,重新研制的合金,DZ22、DZ002、DZ125、DZ17G 等合,其中 DZ22 合金 化學成分和力學性能水平與美國。
該合金已經投入批量生產,2.3.2 核工業,加力燃燒室尤其是噴管部分占發動機總重量的大約 1/,作為加力燃 燒室機匣和筒體的主要材料為鎳基高溫合金,以變形高溫合金為主,未來有望向更低密度的金屬間化合物Ti3Al、Ni3。
高溫合金材料屬于航空航天材料中的重要成員,是制造航空航天發動 機的重要材料,發動機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料 的,高溫合金是制造航空航天發動機熱端部件的關鍵材料,在先進的航空發動機中,高溫合金用量占發動機總重量的 40%~60%,高溫合金主要用于航空發動機四大熱端部件:燃燒室、導。
此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部 件,(報告來源:未來智庫),2.3.3 導彈,2020 年。
航發動力的航空發動機業務營業收入為 261.63 ,毛利 率為 14.81%,則其航空發動機成本為 222.88 億元,假設高溫合金占 營業成本的 18%,則航發動力對高溫合金的需求為 40.12 億元,按照 高溫合金 20 萬/噸的價格計算。
我們估算,2020 年航發動力對高溫合 金原材料的需求量為 ,等軸晶鑄造高溫合金指用傳統的熔模鑄造方法制備鑄件的,其晶粒組織為等軸晶,具有制造成本低、中低溫力學性能優異等優 點,被廣泛應用于航空、航天等領域。
可在-235~1050℃使用,常 用于制作航空發動機擴壓器和機匣等大型復雜結構件,結構復 雜化、尺寸精確化和薄壁輕量化是其發展趨勢,ODS 高溫合金使用溫度在 1000~1350℃,可用于制造 航空航天發動機關鍵部件。
也可用于制造火力發電系統、煤轉化系統 (煤氣化爐),由于 ODS 高溫合金 具有良好的高溫性能,已成為制作先進航空發動機的一種重要材料,固溶強化型 ODS 合金可以用于燃燒室、加力燃燒室,其中有些還可用做導向葉片,沉淀強化型 ODS 合金可用做渦輪 葉片和導向葉片,用做低應力部件時。
ODS 合金可工作在 1300℃以 上,用做高應力部件時,最高工作溫度可達 1200℃,國內最為常用的變形高溫合金 牌號包括 GH4169,GH4169 對應于美國著名的 IN718 合金,該合金具有較好的高溫力學 性能、良好的熱工藝和焊接。
目前在航空發動機渦輪盤、葉片、 石油管道、核工業結,年產量占據整個變形 高溫合金總產量的 45%以上,其中美國 GE 公司所有發動機產品的關 鍵旋轉類零,(報告來源:未來智庫),連續纖維增強陶瓷基復合材料,這種材料通過陶瓷或碳纖維增強。
能 夠使裂紋在基體開裂過程中發生偏轉,或者通過纖維拔出、斷裂等方 式來消耗形變能,從而提高材料的塑韌性,目前處于研發或應用的連 續纖維增強陶瓷基復合材料主,碳/碳復合材料是一種新型的高溫材料,在高溫下具有優良的力學性 能,特別是其力學性能隨溫度升高而升高。
(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議,如需使用相關信息,請參閱報告原文,)。
加力燃燒室是航空發動機的重要部件,能大幅增加發動機推力,渦噴 發動機采用加力燃燒室,推力增大比可達 40%~50%,渦扇發動機采 用加力燃燒室。
推力增大比可達 60%~70%甚至更高,采用加力燃燒 室能大幅增大發動機的單位迎面推力和推,全面改善飛機的機動 性并擴大飛行包線,提高殲擊機的制空能力,因此,加力燃燒室在軍 用飛機的發展中占有重要地位,高溫合金返回料的應用亟待加強,高溫合金精鑄件的收率通常為 20%~30%。
某些形狀復雜的零件甚至只有 10%,即 70%以上的高溫合金 產品是以料頭、澆道、冒口,統稱為高溫 合金返回料,根據再利用方式,鎳基高溫合金返回料分為 4 類:1)原 級使用返回,經熔煉后和新料一樣用于制備零件,2)搭配使用返回 料。
以一定比例和新料混合熔煉合金,3)降級使用返回料,降低成分 或性能要求以制備低級別合金,4)通過濕法或火法冶金提取返回料中 有價金屬元素,早在 20 世紀 90 年代。
美國已經能將高溫合金返回料 的 70%實現同級使用,20%降級使用,剩余 10%用于提取有價金屬元 素,我國的高溫合金返回料降級使用率較高,造成了嚴重的資源浪費。
鑒于鎳基高溫合金返回料的高回收價值及其含有的眾多稀,加 強其回收再利用對緩解我國鎳資源短缺具有重要意義,2.3.4 石化冶金,金屬間化合物是指金屬元素之間或金屬元素與類金屬元素,通過共價鍵形成的化合物,具有優異的耐高溫、抗氧化、耐磨損性能,與 陶瓷材料相比,雖然其耐溫性不如陶瓷材料。
但具有比陶瓷材料更加 優異的導熱性能,金屬間化合物種類很多,目前研究應用較多的有 Ti-Al 系、Ni-Al ,其中以 Ti-Al 系金屬間化 合物的應用研究最為,ODS 高溫合金是采用獨特的機械合金化(MA)工藝。
使高溫下超穩 定的超細氧化物彌散強化相均勻地分散于,而形成的一種 特殊高溫合金,燃燒室是發動機各部件中溫度最高的區域,燃燒室內燃氣溫度可高達 1500-2000℃,作為燃燒室壁的高溫合金材料需承受800-900℃的,局部甚至高達 1100℃以上,除需承受高溫外。
燃燒室材料還應能承受 周期性點火啟動導致的急劇熱疲,用于制造燃 燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結構,其中用量最大、最為 關鍵的是變形高溫合金,高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在 600℃以上的高溫及一定應力 作用下長期工作,其具有優異的高溫強度、良好的抗 氧化和抗熱腐蝕性能,又被 稱為“超合金”。
高溫合金按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫,鎳基高溫合金的應用范圍較廣,需求量約占高溫合金的 80%,高溫合金按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金,其中,變形高溫合金約占高溫合金總需求的 70%。
鑄造高 溫合金約占 20%,粉末高溫合金約占 10%,(3)渦輪盤與高壓壓氣機盤:變形高溫合金、粉末高溫,高溫合金材料國產化率有望提升,目前我國高溫合金生產企業數量有 限,生產能力與需求之間存在較大缺口。
尤其是在燃氣輪機等領域的 高溫合金主要還依賴進口,另外,我國高溫合金生產水平與美國、俄 羅斯等國有著較大差,在高端產品供應上無法滿足應用需求,2.3 其他領域,另外,采用合金設計法與試驗研究相結合研制的相當于國外第二,也取得了可喜進展。
已被選用作為先進航空發動機的高壓渦輪葉片材料,21 世紀初,北京航空材料研究院研制了第三代單晶高溫合金 DD9,DD9 合金的力學性能與國外第三代單晶高溫合金 C,并開始探索第四代單晶高溫合金,1.4 其他高溫材料,針對國內發動機需求,國內開展了第三代粉末高溫合金的研制工作。
研制的合金包括鋼鐵研究總院的 FGH98 合金、北,與美國相比,國內第三代粉末高溫合金研制工作尚屬于起步階段,FGH95 的最高使用溫度為 650℃,主要用于制備發動機的渦輪盤擋板 以及直升機用渦輪盤,FGH95 是我國第一個獲 得應用的粉末高溫合金,FGH96 的強度比 FGH95 合金略低,但裂紋 擴展速率更低。
使用溫度為 750℃,是制備先進發動機渦輪盤等熱端 部件的關鍵材料,FGH97 合金具有高持久強度、高蠕變抗力、低裂紋,使用溫度為 750℃,是制備先進發動機渦輪盤、軸、 環類件等熱端部件的關,渦輪盤在四大熱端部件中所占質量最大,渦輪盤是航空發動機上的重要轉動部件,工作溫度一般輪緣為 550-750℃。
輪心為 300℃左右,徑向的熱應力較大,此外,盤件質量重達幾十至上百千克,且帶著葉 片旋轉,要承受極大的離心力作用。
在啟動與停車過程中又構成周期 性的大應力低周疲勞,隨著我國軍機數量不斷增長以及航空發動機國產化率不斷,我們 預計,軍用航空發動機對高溫合金的需求將保持快速增長,未來我國 商用航空發動機成熟后。
將對高溫合金需求帶來進一步的增長,航空航天放量與制造業轉型升級推動高溫合金需求較快增,綜合第 二章的分析,僅考慮國內航空發動機、燃氣輪機、冶金化工、汽車渦輪,我國對高溫合金的年需求量就已超過 3 萬噸,隨著“十 四五”我國航空發動機等軍品不斷放量、燃氣,國內高溫合金需求量有望保持較快增長。
根據國家能源局信息,“十四五”期間,我國將建成華龍一號、國和 一號、高溫氣冷堆示范工程,積極有序推進沿海三代核電建設,核電運行裝機容量達到 7000 萬千瓦,根據中國核能行業協會數據。
截至 2021 年 9 月 30 日,我國運行核電機組 52 臺(不含中國臺灣地區),裝機容量為 53486MW,據此推算,“十四五”期間核電站新增裝機容 量需求 16514,按每臺 1400MW 機組需 130 噸“U”形管。
共需“U”形管約 1533 噸,(4)渦輪機匣、環件等結構件:變形和鑄造高溫合金并,21 世紀,發電設備和重要軍事設備動力以燃氣輪機及其聯合循環為,未來艦船動力和坦克動力均采用燃氣輪機將是趨勢,燃氣輪機產 業水平將成為一個國家產業先進程度的標志,發達國家工業燃氣輪機 與航空發動機的銷售額比例為 ,目前我國發動機行業工業燃氣輪 機的比例還很小。
石化冶金行業用高溫合金一般價格較低,毛利率也相對較低,鋼研高 納控股子公司新力通 2016 年所銷售裂解,整體毛利率為 35.42%,圖南股份為化工領域提供的 GH2132 棒材類等變,低于其變形高溫合金綜合單價 14.26 萬/噸,毛利率為 12.05%,低于公 司變形高溫合金整體 24.41%的毛利率。
我國也研制成功一系列單晶高溫合金,并獲得實際應用,其中,北京 航空材料研究院于 20 世紀 80 年代研制,該合金具有國外第一代單晶高溫合金的性 能水平,隨后,鋼鐵研究總院研制的 DD402 單晶葉片在某航空發。
中國科學院金屬研究所研制了我國第一個 抗腐蝕單晶高,用作艦艇發動機渦輪葉片材料,鋼鐵研究 總院研制的 DD407 單晶葉片通過了某,DZ125 合金是仿美國第一代定向凝固高溫合金 D,是當前性 能水平最高的定向凝固高溫合金之一。
合金具有良好中、高溫綜合性 能、優異的熱疲勞性能,DZ6 合金是我國新研制的第二代定向凝固高溫合金,其拉伸性能、持久 性能達國外第一代單晶和第二代定向,合金有良好鑄造性 能,可用于制造不同尺寸的定向空心渦輪葉片。
渦輪機匣是航空發動機的承力構件,具有傳遞相鄰部件負荷、構成燃 氣通道和固定導向葉片,用作機匣的主要有變形高溫合金 GH738、GH41,粉末高溫合金是一種新型高溫合金,一般是將高合金化、難變形的高 溫合金用各種方法制成。
然后采用熱等靜壓或熱擠壓等方法進一 步制成坯料,最后制成渦輪盤等零件的工藝,粉末高溫合金消除了偏 析,改善了熱加工性,提高了高溫合金的組織均勻性等指標,目前,粉末高溫合金已成為高性能航空發動機渦輪盤的首選材料,我國粉末高溫合金的研究起步于 20 世紀 70 年。
在后續的發展 過程中,根據國家型號需求,陸續開展了 FGH95 合金、FGH96 合金、 ,2.2 燃氣輪機:國產化任重道遠,未來對高溫合金需求有望快速提升,將碳/碳復合材料應用于航 空發動機將產生以下幾個效,提高發動機推重比/ 功重比。
2)提高熱端部件工作溫度,提高發動機熱效率,3)減少冷空 氣的使用,提高發動機效率,近年來。
碳/碳復合材料已經逐步地應用 于航空發動機部件:美,并已經完成了地面超轉試驗,美國 F100 航空發動機的噴嘴 和加力燃燒室噴管,此外,俄羅斯、德國、 法國也已經制造出碳/碳復合材料的渦。
渦輪盤用高溫合金占發動機總質量的 5%到 20%,以單個航空發動機 重量 1500kg、渦輪盤用變形,渦輪盤重量為 150kg,假設在生產制造過程中,變形高溫合金材料利用率為 10%。
則單臺航空發動機用于制造渦輪盤的變形高溫合金棒材需,鑄造高溫合金是合金原材料經過精煉后形成成分精確的母,然后 再通過真空重熔澆鑄成型的一種高溫合金,相對變形高溫合金,使用 溫度和強度更高。
合金化程度也更高,用量少而精,主要用于制備形 狀比較復雜的產品,鑄造高溫合金按照凝固結晶組織不同,還可以分為等軸晶鑄造高溫合 金、定向凝固柱晶高溫合,其使用性能和制備難度 依次提高。
特別是隨著高溫合金成分日趨復雜、零件尺 寸不斷增大,粉末冶金高溫合金顯示出更大的優越性,是先進航空發 動機高壓渦輪盤等關鍵熱端部件的優選材,普惠公司于 1972 年將 IN100 粉末高溫合,裝備在 F-15 和 F-16 戰斗機上,從此 粉末高溫合金進入了實際應用階段,粉末渦輪盤的使用是先進航空發 動機的重要標志,(5)加力燃燒室:變形高溫合金為主。
向金屬間化合物等新材料演變,1.1 變形高溫合金:需求量最大,應用廣泛。
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