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GH4169 的航空航天增材制造

GH4169 的(de)航(hang)空航(hang)天增材制造

追求極限永遠是航空航天(tian)領域的主題

商業方面：一(yi)對發動機(ji)的動力能(neng)讓(rang)一(yi)架大型噴氣式客機(ji)往返于大洋彼(bi)岸。

軍(jun)事方面：戰斗機在執行關鍵防御(yu)任務時(shi)非常(chang)依賴發動(dong)機的(de)峰值性能(neng)。

航天方面(mian)：大推力發動(dong)機對于人(ren)類探索太(tai)空至關重要。

發動(dong)(dong)機的(de)燃油(you)效率和可靠性是驅動(dong)(dong)新型(xing)發動(dong)(dong)機設(she)計的(de)底層(ceng)邏輯，TC4（鈦合金）和GH4169等高性能、高價(jia)值材料制備的復雜部件(jian)是保證底層邏輯正常運行的基礎。

隨著航空航天領域對(dui)發動機性能(neng)提出更高要(yao)求，新型發動機的(de)(de)(de)(de)結構改(gai)型成為世(shi)界各強國的(de)(de)(de)(de)研究熱(re)點。基于傳統(tong)加(jia)工方式(shi)的(de)(de)(de)(de)結構設計，經歷了幾(ji)十年的(de)(de)(de)(de)論證、實施、改(gai)進，可以(yi)說(shuo)在(zai)傳統(tong)加(jia)工能(neng)力范(fan)圍內，已經是接近(jin)完美的(de)(de)(de)(de)方案。如果沒有革命性的(de)(de)(de)(de)技術突破，改(gai)型工作(zuo)很難(nan)有實質性的(de)(de)(de)(de)進展。——這(zhe)就是十年前我國(guo)航(hang)空航(hang)天人的真實處境。可(ke)以想象，這(zhe)代航(hang)空航(hang)天人在第一(yi)次接觸(chu)金(jin)屬增材制造技術時，內心是多么(me)的激動。

高溫合金(jin)讓發動機的效率更高

高溫合金，國(guo)外叫Super Alloy，直譯超級合金。

高溫合金是指以(yi)鐵、鎳、鈷為基，能(neng)在600℃以上(shang)的(de)(de)高溫及一定應力作用下長期工作的(de)(de)一類金屬材(cai)料(liao)，具有優異的(de)(de)高溫強度(du)，良好(hao)的(de)(de)抗(kang)氧化和抗(kang)熱腐蝕(shi)性(xing)能，良好(hao)的(de)(de)疲勞性(xing)能、斷裂韌性(xing)等(deng)綜合性(xing)能，主要應用于航空航天領(ling)域(yu)和能源領(ling)域(yu)。

卡諾循環

卡諾定(ding)理(li)指(zhi)出熱源溫(wen)度越高循環(huan)熱效率(lv)越高。也就是說(shuo)運行更(geng)熱的發動(dong)機可以提(ti)(ti)高能源效率(lv)，從而提(ti)(ti)高燃(ran)油效率(lv)。

為此，航空航天(tian)工程(cheng)師用高(gao)溫合金制造渦輪反應器的(de)高(gao)溫部件，它們可以在(zai)極端(duan)環(huan)境(jing)中(zhong)承(cheng)受(shou)很高(gao)的(de)機械應力和(he)應變，同時保持穩定、耐(nai)腐蝕和(he)抗蠕變。

超級(ji)合金(jin)可承受極端條件

鎳(nie)鐵基超級合金(jin)特別適合在需要抗蠕變、腐(fu)蝕和(he)熱沖擊性的高溫環境中使用。通常，它們可(ke)以通過固溶(rong)強化或金(jin)屬基體中金(jin)屬間化合物的沉淀來硬化。

GH4169占世界高溫(wen)合金噸位一半

GH4169 是(shi)高溫合金(jin)的主(zhu)力(li)、熱(re)結構(gou)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)應用(yong)的基石

GH4169于1965 年實現工業化應用，相(xiang)對較新，但如今已廣泛(fan)使用。

GH4169是世界(jie)上占主導地位的(de)(de)高溫合(he)金(jin)，約占世界(jie)噸位的(de)(de)一半，它(ta)可以(yi)在 600°C 以(yi)上永久使用，具有良(liang)好的(de)(de)蠕變、斷裂(lie)強(qiang)度、高抗(kang)疲勞性(xing)，并在高溫下具有耐腐(fu)蝕性(xing)。

GH4169在飛機(ji)(ji)渦輪(lun)噴氣(qi)發動機(ji)(ji)的(de)重量(liang)占(zhan)比在 50% 以上，是(shi)壓氣(qi)機(ji)(ji)高(gao)壓段的(de)圓盤、葉片(pian)、外殼(ke)、渦輪(lun)部分(fen)的(de)部分(fen)葉片(pian)的(de)主要材料。

GH4169不僅(jin)高溫(wen)性能優異(yi)，在低溫(wen)下同樣具有良好的韌性（防止零件發(fa)生脆性斷裂），因(yin)此還在火箭發(fa)動機和其(qi)他(ta)低溫(wen)工況(kuang)找到(dao)了多種應用。

GH4169的楊氏(shi)模量幾乎是鈦合(he)金Ti6Al4V(TC4) 的兩倍，與非合(he)金可(ke)硬(ying)化碳鋼(gang) (45號鋼(gang)) 相(xiang)似。

關于楊(yang)氏模量(liang)

（1）楊氏模量(liang)是描述固(gu)體材料(liao)抵抗(kang)形變能力的(de)物理(li)量(liang)。

（2）楊(yang)氏模(mo)量(liang)只與(yu)材料(liao)的化學成分有(you)關(guan)，與(yu)其組織(zhi)變化無關(guan)，與(yu)熱處(chu)理狀態無關(guan)。

（3）各種(zhong)鋼的彈(dan)性模量(liang)差別很小，金屬合金化對其彈(dan)性模量(liang)影響也很小。

（4）楊氏(shi)模量(liang)的(de)大小標志了材料的(de)剛性(xing)，楊氏(shi)模量(liang)越(yue)大，越(yue)不容易(yi)發(fa)生形(xing)變(bian)。

GH4169鐵含(han)量高，降(jiang)低(di)合金成本

（1）GH4169內含有大量的鐵，降低了(le)(le)每公(gong)斤的價格，同時賦(fu)予(yu)了(le)(le)它(ta)沉淀硬化的效果。

（2）鐵在基體(ti)中的(de)低遷移率賦予主要強化相 (γ”) 緩慢的(de)析出(chu)動力學，從而降低對焊(han)后(hou)開裂的(de)敏感(gan)性(xing)。如果遷移/擴散速率高(gao)，則很(hen)容易(yi)在焊(han)縫和熱影(ying)響區形成合金(jin)元(yuan)素(su)偏析，導致(zhi)容易(yi)出(chu)現裂紋。GH4169的(de)焊(han)接性(xing)能良好。

（3）特(te)定的合(he)金元素賦予GH4169在高達 1000°C時(shi)仍然具有良好的耐腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性。鎳(nie)可用(yong)于(yu)對抗(kang)氯離子應力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開裂，并在多(duo)種酸度和堿度范圍內(nei)防(fang)止許多(duo)無機和有機氧化(hua)化(hua)合(he)物(wu)的腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。鉻賦予了(le)抵(di)御氧化(hua)介質(zhi)和硫化(hua)合(he)物(wu)侵蝕(shi)(shi)的能力，而鉬則可以提(ti)高對點蝕(shi)(shi)的抵(di)抗(kang)力。

GH4169可定制力學性能(neng)

熱處理釋放了GH4169的潛力

通過不同(tong)的熱處理可以獲(huo)得不同(tong)的組織(zhi)結構，進而(er)獲(huo)得不同(tong)的力(li)學性能(neng)和硬度。

GH4169的強(qiang)化原理

兩種強(qiang)化模式相結(jie)合(he)：

（1）固溶強化（鐵、鉻、鉬和鈮的原(yuan)子可以替代金屬(shu)基體中的鎳）；

（2）有序金屬間相(xiang) γ’ 和 γ” 的沉淀硬(ying)化；

GH4169必須首先升(sheng)到(dao)(dao)較(jiao)高(gao)溫度(du)(du)，以確保時(shi)效成分（鋁、鈦(tai)和(he)(he)鈮）溶解在基(ji)體中—所謂的(de)(de)(de)固溶。之(zhi)后，在較(jiao)低(di)溫度(du)(du)下保溫（所謂時(shi)效）時(shi)，會析出各種(zhong)相(xiang)(xiang)，相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)種(zhong)類和(he)(he)多少，對合(he)金的(de)(de)(de)力學(xue)性(xing)能，尤其(qi)是蠕變壽命影響(xiang)很大，而且只有當析出物(wu)達到(dao)(dao)影響(xiang)位(wei)錯運動(dong)的(de)(de)(de)臨(lin)界尺寸時(shi)，才能提(ti)高(gao)強(qiang)度(du)(du)和(he)(he)硬度(du)(du)。總之(zhi)，GH4169合(he)金含(han)有多種(zhong)金屬元(yuan)素，這些金屬元(yuan)素在不同溫度(du)(du)條件下的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作用是極(ji)其(qi)復雜的(de)(de)(de)，AMLetters在這里(li)不做過(guo)多論(lun)述。

GH4169的溫度局限650℃

每種(zhong)材料都有局限，對于GH4169來說，這個局限是650℃。

當要求GH4169制備的(de)零件在(zai)工(gong)況條件下(xia)(xia)具備抵抗應力(li)和蠕變等(deng)能力(li)時，工(gong)況溫(wen)度(du)應該被(bei)限(xian)制在(zai) 650°C 以下(xia)(xia)，因為亞(ya)穩定的(de) γ” 在(zai)該溫(wen)度(du)或高于該溫(wen)度(du)的(de)長時間暴露下(xia)(xia)會迅速發生過度(du)時效現象。

γ′′快速(su)粗化，從(cong)共(gong)格的(de)(de)盤狀γ′′相轉變(bian)為穩定(ding)的(de)(de)板狀δ相（Ni3Nb），微觀結構(gou)的(de)(de)轉變(bian)使(shi)強(qiang)度迅速(su)降低，最終因蠕(ru)變(bian)而失效(xiao)，導致(zhi)不可預估的(de)(de)事故。

GH4169加工4大難點

第一：加工硬化傾(qing)向大

比如GH4169未強化處理的基(ji)體(ti)硬(ying)度(du)(du)約為(wei)HRC37，切削以后，表面(mian)產生0.03mm左(zuo)右的硬(ying)化層，硬(ying)度(du)(du)增加到HRC47，硬(ying)化程(cheng)度(du)(du)高達27%。而(er)加工硬(ying)化現(xian)象對刀(dao)(dao)具的壽命有很大的影響(xiang)，通常會使刀(dao)(dao)具產生嚴重(zhong)的邊界磨損(sun)。

第(di)二：切削力(li)大

高溫(wen)合(he)(he)金的強度比燃氣輪機上常用的合(he)(he)金鋼材料還要高出30%以(yi)上。一般來講(jiang)，材料隨著溫度的(de)(de)升高(gao)，強(qiang)度會下降，但在600℃左右，鎳基高(gao)溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)強(qiang)度仍然遠高(gao)于(yu)普通的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)鋼。未強(qiang)化處理的(de)(de)高(gao)溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)單位切削力可(ke)以(yi)達到4000N/mm^2，而普通合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)鋼只(zhi)有2500N/mm^2，高(gao)溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)切削力為普通合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)鋼的(de)(de)1.6倍。

第三：導熱性差

切(qie)削高溫合金時會(hui)產生(sheng)大量的切(qie)削熱(re)，這些(xie)熱(re)量大部分由刀具(ju)承(cheng)受，在800～1000℃時，刀(dao)具(ju)很容易產生(sheng)塑性變形，粘結磨(mo)損、擴(kuo)散磨(mo)損。

第四：元素沖突

鎳基(ji)合金主要(yao)合金成分(fen)為Ni和(he)Cr，另外還添(tian)加(jia)少量Mo、Ta、Nb、W等(deng)元素，但(dan)硬(ying)質(zhi)合金(jin)和(he)高速鋼里(li)面也都(dou)有Ta、Nb、W，這就導(dao)致用普通的刀具(ju)切削高溫合金(jin)時容易產生擴散(san)磨(mo)損(sun)和(he)磨(mo)料(liao)磨(mo)損(sun)。

加工問題與(yu)航(hang)空航(hang)天應用中通(tong)常(chang)需要的(de)(de)復雜幾何(he)形(xing)狀相結合，導(dao)致這類部件的(de)(de)制造通(tong)常(chang)困難(nan)且(qie)成(cheng)本高昂。

GH4169鑄造(zao)局限疏松偏(pian)析

GH4169的(de)高機械強度和硬度限制了其加(jia)工性，即使在高溫下也是如此。

在沒有金屬3D打(da)印(yin)技術前(qian)，許多復雜零件往往通(tong)過熔模鑄(zhu)造生(sheng)產(chan)。我國將高(gao)溫合(he)金(jin)分為變(bian)形高(gao)溫合(he)金(jin)與(yu)鑄(zhu)造高(gao)溫合(he)金(jin)兩大類型，與(yu)變(bian)形高(gao)溫合(he)金(jin)GH4169對(dui)應的鑄(zhu)造高(gao)溫合(he)金(jin)牌號為K4169。

《中國(guo)高溫合金手冊(ce)》下冊(ce)中對K4169的描述如下：

K4169是鎳(nie)基沉淀硬(ying)化(hua)(hua)型(xing)等軸(zhou)晶(jing)鑄造高(gao)溫合(he)金(jin)(jin)。合(he)金(jin)(jin)以(yi)(yi)(yi)γ′′為主(zhu)要強(qiang)化(hua)(hua)相、 γ′相為輔助強(qiang)化(hua)(hua)相。合(he)金(jin)(jin)在很寬的(de)中、低溫度范圍(-253℃～700℃)內(nei)具(ju)(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)強(qiang)度和塑性(xing)(xing)，優(you)良(liang)的(de)耐腐(fu)蝕(shi)和耐輻照性(xing)(xing)能(neng)，以(yi)(yi)(yi)及良(liang)好的(de)焊接(jie)和成型(xing)性(xing)(xing)能(neng)，并具(ju)(ju)有較(jiao)好的(de)抗應變時(shi)效裂紋的(de)性(xing)(xing)能(neng)。廣泛用于航空，航天發(fa)動(dong)機、核反(fan)應堆(dui)以(yi)(yi)(yi)及石油化(hua)(hua)工領域，適用于制作650℃以(yi)(yi)(yi)下工作的(de)發(fa)動(dong)機葉片﹑機匣以(yi)(yi)(yi)及其他結構件。

K4169應用概(gai)況及(ji)特性

K4169已用(yong)于制作航空發動機燃燒室(shi)前置擴壓(ya)(ya)器(qi)、承(cheng)力環等(deng)十幾種精密鑄件，航天大(da)推力發動機泵體(ti)機匣等(deng)精密鑄件，已批(pi)量生產(chan)，使用(yong)情況(kuang)良好(hao)。為減輕鈮元(yuan)素在(zai)枝晶(jing)間的偏(pian)(pian)析，應嚴格控制鑄造工藝和熱(re)(re)處理等(deng)熱(re)(re)過程。用(yong)于大(da)型結構件時，為獲(huo)得致密和均(jun)勻的顯微組織(zhi)，需采(cai)用(yong)熱(re)(re)等(deng)靜壓(ya)(ya)處理。通過熱(re)(re)等(deng)靜壓(ya)(ya)處理后，可(ke)以消除疏松(song)，減少偏(pian)(pian)析，改善可(ke)焊性。熱(re)(re)等(deng)靜壓(ya)(ya)處理后采(cai)用(yong)合適的熱(re)(re)處理，可(ke)以提高鑄件的使用(yong)性能。

熔模(mo)鑄造的缺點

（1）缺陷多

容易形成(cheng)氣孔(kong)、偏析和非常粗的晶粒尺寸，這會(hui)降低功能性(xing)并需要后(hou)續加(jia)工步驟，從而增加(jia)成(cheng)品部(bu)件(jian)的成(cheng)本。對于承(cheng)力結構件(jian)，熔(rong)模鑄造K4169需要熱等(deng)靜壓 (HIP) 以最大限(xian)度地減少縮松和鑄件偏析(xi)。

（2）偏析(xi)嚴重(zhong)

熔模鑄造的(de)(de)(de)另一個問題是鈮元素(su)的(de)(de)(de)局部偏析(xi)，在熱處理過程(cheng)中會(hui)(hui)產生(sheng)局部硬度較(jiao)高的(de)(de)(de)區(qu)域。這些較(jiao)硬的(de)(de)(de)偏析(xi)區(qu)域會(hui)(hui)增(zeng)加刀具(ju)的(de)(de)(de)磨(mo)損(sun)、導致刀具(ju)崩(beng)刃，嚴(yan)重(zhong)的(de)(de)(de)甚(shen)至導致零件(jian)報廢(fei)，嚴(yan)重(zhong)增(zeng)加制造成(cheng)本。

增材制造(zao)GH4169

通(tong)過以上論(lun)述，相信大(da)家已經了(le)解到傳統加工(gong)方式在制(zhi)備復雜高溫(wen)合金(jin)零部(bu)件時存在的(de)一些(xie)技術瓶頸，比(bi)如(ru)加工(gong)成本高昂(ang)，有些(xie)零件還必須通(tong)過鑄造等(deng)手段(duan)制(zhi)備，鑄造工(gong)藝又不可(ke)避免的(de)會引入一些(xie)缺(que)陷，損害零件的(de)高溫(wen)腐(fu)蝕和抗蠕(ru)變(bian)等(deng)性能。金(jin)屬增(zeng)材制(zhi)造SLM在不犧牲GH419優異力學(xue)性能的同時，使零部(bu)件(jian)(jian)的加(jia)工(gong)更加(jia)方便、高(gao)效，零件(jian)(jian)復雜程度也不顯著增(zeng)加(jia)加(jia)工(gong)成本，這正(zheng)是(shi)航空航天領域大力發展(zhan)金屬增(zeng)材制造工(gong)藝的根本原因，它(ta)確實帶來了經(jing)濟(ji)效益(yi)。

汽車和石油(you)化工(gong)等(deng)其他行(xing)(xing)業(ye)就不(bu)追求產品(pin)性能(neng)了么？也(ye)(ye)追求啊(a)，不(bu)過考(kao)(kao)慮(lv)成(cheng)本(ben)的(de)權重更(geng)大一(yi)些(xie)。如果(guo)不(bu)考(kao)(kao)慮(lv)成(cheng)本(ben)，在這(zhe)(zhe)些(xie)行(xing)(xing)業(ye)也(ye)(ye)有很多可以(yi)使用高溫(wen)合金(jin)的(de)應(ying)用場景。以(yi)前因為工(gong)藝(yi)和成(cheng)本(ben)的(de)原因并沒有這(zhe)(zhe)樣(yang)做(zuo)，現在，隨著技術成(cheng)熟度的(de)提(ti)升(sheng)和設(she)備、原料成(cheng)本(ben)的(de)下降，會(hui)有越(yue)來越(yue)多的(de)高溫(wen)合金(jin)替代傳統材料的(de)應(ying)用案例出現。

增(zeng)材制(zhi)造好(hao)處多(duo)多(duo)

（1）放飛自(zi)由度(du)(du)：SLM為航空(kong)航天工程師帶來了(le)更多的(de)設計自(zi)由度(du)(du)，使得他(ta)們可以突破(po)基于傳(chuan)統制造工藝的(de)設計思路；

（2）零件整合：根據零件特征(zheng)整合組件數量，以減(jian)少后續焊接等操作；

（3）點陣(zhen)或拓撲輕量化(hua)：通過引入點陣(zhen)結構將零件的輕量化(hua)推向極(ji)限；

（4）最小(xiao)化(hua)材料(liao)浪費：傳統(tong)的(de)加工方式會導(dao)致高比例的(de)切(qie)削廢料(liao)，而(er)通(tong)過SLM打印零(ling)件，絕(jue)大(da)多數情況(kuang)下原材料(liao)的(de)浪費要少得多；

（5）快速交付：獲得所有這(zhe)些優化的同時，還能更快的交付。