高温合金杂质控制水平国内外对比分析研究

操齐高 马光 郑晶

摘要：杂质元素种类、含量对高温合金性能起着决定性的影响。本文对影响高温合金性能的杂质元素进行了分析介绍，并通过对比分析研究了国内外高温合金杂质控制水平现状，综合考虑高温合金的杂质元素主要来源于原材料，而且许多有害元素在后续工艺过程中很难去除的现实状况，建议在高品质高温合金的研制和开发中采用高纯原材料、特别是采用针对合金中的某些元素进行针对性提纯后的原材料，通过控制原材料的杂质来控制高温合金中杂质元素数量及含量，提高我国高温合金的性能水平。

关键词：高温合金;杂质;原材料;对比分析。

中图分类号：TG13     文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2015）010（c）-0000-00

Comparative Analysis of the Control of Impurities in Domestic and Foreign Superalloys

CAO Qigao， MA Guang， ZHENG Jing

（Northwest Institute for Nonferrous Metal Research， Xian， Shanxi 710016， China）

Abstract： The performance of superalloys was affected heavily by the amount and content of impurity elements. In this paper， the impurity elements affecting the properties of superalloys were analyzed， and the comparative analysis of the control of impurities in domestic and foreign superalloys was studied. Considering that the impurity elements in superalloys were mainly derived from raw materials， though many of them its very difficult to remove in the following process. It was suggested that high purity raw materials should be used， especially the raw materials purified with specific elements. To improve the performance of the domestic superalloys， the most potential way is controlling the amount and content of impurities in superalloys by controlling the impurities in the raw materials.

Keywords： Superalloy; Impurity; Raw materials; Comparative Analysis。

众所周知，航空发动机是制约我国飞机发展的主要瓶颈。先进的航空发动机需满足以下四个重要指标：大的推重比、高可靠性、高工作稳定性和低燃油消耗率。要获得大的推重比，具有先进性能的高温合金材料是其主要支撑技术之一。国内与国外差距巨大，其重要原因是合金杂质元素控制水平低造成的。合金杂质元素对高温合金持久、蠕变等性能会产生严重的影响，必须把它们的含量和数量控制到尽可能低的水平。

高温合金中除固溶强化和沉淀强化元素外，还含有几十种微量元素。所谓微量元素就是含量很低，甚至ppm量级就能明显影响高温合金力学性能和组织的那些元素。微量元素通常可分为有益的微量元素和有害的微量元素，前者如C、B、Ti、Zr、稀土元素等，而后者即为杂质元素。残留在高温合金中的杂质元素多达五、六十种，它们对高温合金的影响机理与杂质元素种类、数量和偏析程度以及高溫合金种类有关。大量研究表明，随着高温合金中杂质元素含量的增加，高温合金高温力学性能会急剧下滑，从而表现出高温合金性能的巨大差异。[1]

众所周知，美国等国家的高温合金的性能十分优异，主要是其在合金杂质控制方面都达到了很高水平，其杂质元素控制数量多且控制含量低。此外，他们针对铸造、变形以及粉末等不同类型的高温合金做出了统一的标准;而我国在这方面没有统一标准。

1  国外高温合金杂质控制情况

按照GE公司标准P29TF19[2]，铸造、变形以及粉末高温合金中杂质元素数量和含量分别需达到P29TF19标准中的A级、B级和C级。如GE公司单晶铸造高温合金René N5标准C50TF87[3]，規定其微量杂质元素数量和含量需达到P29TF19标准中的A级，即除按照AMS 2280标准[4]控制Bi、Pb、Se、Te、Tl等五害元素的含量在（0.5～5）×10-6以下之外，把Ag也控制在5×10-6以下，而且还要控制其余如Sb、As、Cd、Ga、Ge、In、Sn、Zn、K、Cl、Li等39个元素，这39个元素都要求控制在25×10-6以下，39个元素的总含量不得超过400×10-6;另外，杂质元素控制数量及含量除需满足P29TF19标准A级要求之外，还需对N、O、S、P、Mn、Si、V等元素含量进行控制。

而实际上美国现有铸造高温合金对关键微量杂质元素控制水平提出了更高的要求，P29TF19标准中规定的45个元素含量的总和通常都在100×10-6。由此可见，高品质高温合金对于微量杂质元素控制的高要求已成为一种趋势。

2  国内高温合金杂质控制情况

相比于GE公司的标准，目前国产的铸造高温合金在杂质元素的控制数量及含量上都还有较大差距。DD5是我国仿照René N5研制的第二代单晶高温合金，虽然其五害元素及银的最低控制含量已达到了AMS 2280标准，但控制杂质元素的种类还差得较多。DD6[5]是我国研制的第二代定向凝固单晶高温合金，其生产采用国产原材料，杂质元素控制要求如表2所示，其控制杂质数目仅为19个。虽然其部分有害元素的最低控制含量已达到了AMS 2280标准，但在其它杂质元素的数量和含量控制上较René N5相比还相去甚远。在杂质元素含量控制上，如René N5中S、P、Zr、Ti的质量百分数分别需控制在0.003、0.005、0.02、0.04以下，而DD6中S、P、Zr、Ti质量百分数只分别控制到0.004、0.018、0.10、0.10以下。作为要求最高的单晶合金其杂质的控制数量远低于美国的同类产品的要求，更不要说定向凝固柱晶高温合金以及等轴晶高温合金了。

3  结论

通过以上对比分析，可以得出我国高温合金在杂质控制水平方面与美国还有想当大的差距。要提高我国高温合金品质，降低高温合金中有害杂质的含量最有效的办法是选择优质原材料，严格控制冶炼工艺和精铸工艺，所以，中国高温合金质量水平的提高，在很大程度上还依赖于国产原材料的质量水平。建议针对我国先进发动机用高品质高温合金杂质控制的要求，通过湿法化学分离、物理纯化等技术手段，研究国产原材料纯净化方法和理论，获得原材料痕量元素控制方法。

参考文献：

[1] 郭建亭. 高温合金材料学（上册）[M]. 北京：科学出版社. 2008. 168.

[2] Acceptability Limits Trace Element in Superalloys. 美国企业标准P29TF19. 1993.

[3] Premium Quality ReneN-5 Vacuum Cast and Directionally Solidified Single Crystal Turbine Blades and Vanes. 美国企业标准C50TF87. 2005.

[4] 美国宇航标准AMS2280. 1975.

[5] 高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号. 中国国家标准GB/T 14992-2005.