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GH4169 的航空航天增材制造

GH4169 的航空航天增材制造

追求極限永遠是航空航天領域的主題

商業方面：一對發動機的動力能讓一架大型噴氣式客機往返于大洋彼岸。

軍事方面：戰斗機在執行關鍵防御任務時非常依賴發動機的峰值性能。

航天方面：大推力發動機對于人類探索太空至關重要。

發動機的燃油效率和可靠性是驅動新型發動機設計的底層邏輯，TC4（鈦合金）和GH4169等高性能、高價值材料制備的復雜部件是保證底層邏輯正常運行的基礎。

隨著航空航天領域對發動機性能提出更高要求，新型發動機的結構改型成為世界各強國的研究熱點?；趥鹘y加工方式的結構設計，經歷了幾十年的論證、實施、改進，可以說在傳統加工能力范圍內，已經是接近完美的方案。如果沒有革命性的技術突破，改型工作很難有實質性的進展。——這就是十年前我國航空航天人的真實處境?？梢韵胂?，這代航空航天人在第一次接觸金屬增材制造技術時，內心是多么的激動。

高溫合金讓發動機的效率更高

高溫合金，國外叫Super Alloy，直譯超級合金。

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的一類金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，主要應用于航空航天領域和能源領域。

卡諾循環

卡諾定理指出熱源溫度越高循環熱效率越高。也就是說運行更熱的發動機可以提高能源效率，從而提高燃油效率。

為此，航空航天工程師用高溫合金制造渦輪反應器的高溫部件，它們可以在極端環境中承受很高的機械應力和應變，同時保持穩定、耐腐蝕和抗蠕變。

超級合金可承受極端條件

鎳鐵基超級合金特別適合在需要抗蠕變、腐蝕和熱沖擊性的高溫環境中使用。通常，它們可以通過固溶強化或金屬基體中金屬間化合物的沉淀來硬化。

GH4169占世界高溫合金噸位一半

GH4169 是高溫合金的主力、熱結構航空航天應用的基石

GH4169于1965 年實現工業化應用，相對較新，但如今已廣泛使用。

GH4169是世界上占主導地位的高溫合金，約占世界噸位的一半，它可以在 600°C 以上永久使用，具有良好的蠕變、斷裂強度、高抗疲勞性，并在高溫下具有耐腐蝕性。

GH4169在飛機渦輪噴氣發動機的重量占比在 50% 以上，是壓氣機高壓段的圓盤、葉片、外殼、渦輪部分的部分葉片的主要材料。

GH4169不僅高溫性能優異，在低溫下同樣具有良好的韌性（防止零件發生脆性斷裂），因此還在火箭發動機和其他低溫工況找到了多種應用。

GH4169的楊氏模量幾乎是鈦合金Ti6Al4V(TC4) 的兩倍，與非合金可硬化碳鋼 (45號鋼) 相似。

關于楊氏模量

（1）楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。

（2）楊氏模量只與材料的化學成分有關，與其組織變化無關，與熱處理狀態無關。

（3）各種鋼的彈性模量差別很小，金屬合金化對其彈性模量影響也很小。

（4）楊氏模量的大小標志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發生形變。

GH4169鐵含量高，降低合金成本

（1）GH4169內含有大量的鐵，降低了每公斤的價格，同時賦予了它沉淀硬化的效果。

（2）鐵在基體中的低遷移率賦予主要強化相 (γ”) 緩慢的析出動力學，從而降低對焊后開裂的敏感性。如果遷移/擴散速率高，則很容易在焊縫和熱影響區形成合金元素偏析，導致容易出現裂紋。GH4169的焊接性能良好。

（3）特定的合金元素賦予GH4169在高達 1000°C時仍然具有良好的耐腐蝕性。鎳可用于對抗氯離子應力腐蝕開裂，并在多種酸度和堿度范圍內防止許多無機和有機氧化化合物的腐蝕。鉻賦予了抵御氧化介質和硫化合物侵蝕的能力，而鉬則可以提高對點蝕的抵抗力。

GH4169可定制力學性能

熱處理釋放了GH4169的潛力

通過不同的熱處理可以獲得不同的組織結構，進而獲得不同的力學性能和硬度。

GH4169的強化原理

兩種強化模式相結合：

（1）固溶強化（鐵、鉻、鉬和鈮的原子可以替代金屬基體中的鎳）；

（2）有序金屬間相 γ’ 和 γ” 的沉淀硬化；

GH4169必須首先升到較高溫度，以確保時效成分（鋁、鈦和鈮）溶解在基體中—所謂的固溶。之后，在較低溫度下保溫（所謂時效）時，會析出各種相，相的種類和多少，對合金的力學性能，尤其是蠕變壽命影響很大，而且只有當析出物達到影響位錯運動的臨界尺寸時，才能提高強度和硬度?？傊?，GH4169合金含有多種金屬元素，這些金屬元素在不同溫度條件下的相互作用是極其復雜的，AMLetters在這里不做過多論述。

GH4169的溫度局限650℃

每種材料都有局限，對于GH4169來說，這個局限是650℃。

當要求GH4169制備的零件在工況條件下具備抵抗應力和蠕變等能力時，工況溫度應該被限制在 650°C 以下，因為亞穩定的 γ” 在該溫度或高于該溫度的長時間暴露下會迅速發生過度時效現象。

γ′′快速粗化，從共格的盤狀γ′′相轉變為穩定的板狀δ相（Ni3Nb），微觀結構的轉變使強度迅速降低，最終因蠕變而失效，導致不可預估的事故。

GH4169加工4大難點

第一：加工硬化傾向大

比如GH4169未強化處理的基體硬度約為HRC37，切削以后，表面產生0.03mm左右的硬化層，硬度增加到HRC47，硬化程度高達27%。而加工硬化現象對刀具的壽命有很大的影響，通常會使刀具產生嚴重的邊界磨損。

第二：切削力大

高溫合金的強度比燃氣輪機上常用的合金鋼材料還要高出30%以上。一般來講，材料隨著溫度的升高，強度會下降，但在600℃左右，鎳基高溫合金的強度仍然遠高于普通的合金鋼。未強化處理的高溫合金的單位切削力可以達到4000N/mm^2，而普通合金鋼只有2500N/mm^2，高溫合金的切削力為普通合金鋼的1.6倍。

第三：導熱性差

切削高溫合金時會產生大量的切削熱，這些熱量大部分由刀具承受，在800～1000℃時，刀具很容易產生塑性變形，粘結磨損、擴散磨損。

第四：元素沖突

鎳基合金主要合金成分為Ni和Cr，另外還添加少量Mo、Ta、Nb、W等元素，但硬質合金和高速鋼里面也都有Ta、Nb、W，這就導致用普通的刀具切削高溫合金時容易產生擴散磨損和磨料磨損。

加工問題與航空航天應用中通常需要的復雜幾何形狀相結合，導致這類部件的制造通常困難且成本高昂。

GH4169鑄造局限疏松偏析

GH4169的高機械強度和硬度限制了其加工性，即使在高溫下也是如此。

在沒有金屬3D打印技術前，許多復雜零件往往通過熔模鑄造生產。我國將高溫合金分為變形高溫合金與鑄造高溫合金兩大類型，與變形高溫合金GH4169對應的鑄造高溫合金牌號為K4169。

《中國高溫合金手冊》下冊中對K4169的描述如下：

K4169是鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金。合金以γ′′為主要強化相、 γ′相為輔助強化相。合金在很寬的中、低溫度范圍(-253℃～700℃)內具有較高的強度和塑性，優良的耐腐蝕和耐輻照性能，以及良好的焊接和成型性能，并具有較好的抗應變時效裂紋的性能。廣泛用于航空，航天發動機、核反應堆以及石油化工領域，適用于制作650℃以下工作的發動機葉片﹑機匣以及其他結構件。

K4169應用概況及特性

K4169已用于制作航空發動機燃燒室前置擴壓器、承力環等十幾種精密鑄件，航天大推力發動機泵體機匣等精密鑄件，已批量生產，使用情況良好。為減輕鈮元素在枝晶間的偏析，應嚴格控制鑄造工藝和熱處理等熱過程。用于大型結構件時，為獲得致密和均勻的顯微組織，需采用熱等靜壓處理。通過熱等靜壓處理后，可以消除疏松，減少偏析，改善可焊性。熱等靜壓處理后采用合適的熱處理，可以提高鑄件的使用性能。

熔模鑄造的缺點

（1）缺陷多

容易形成氣孔、偏析和非常粗的晶粒尺寸，這會降低功能性并需要后續加工步驟，從而增加成品部件的成本。對于承力結構件，熔模鑄造K4169需要熱等靜壓 (HIP) 以最大限度地減少縮松和鑄件偏析。

（2）偏析嚴重

熔模鑄造的另一個問題是鈮元素的局部偏析，在熱處理過程中會產生局部硬度較高的區域。這些較硬的偏析區域會增加刀具的磨損、導致刀具崩刃，嚴重的甚至導致零件報廢，嚴重增加制造成本。

增材制造GH4169

通過以上論述，相信大家已經了解到傳統加工方式在制備復雜高溫合金零部件時存在的一些技術瓶頸，比如加工成本高昂，有些零件還必須通過鑄造等手段制備，鑄造工藝又不可避免的會引入一些缺陷，損害零件的高溫腐蝕和抗蠕變等性能。金屬增材制造SLM在不犧牲GH419優異力學性能的同時，使零部件的加工更加方便、高效，零件復雜程度也不顯著增加加工成本，這正是航空航天領域大力發展金屬增材制造工藝的根本原因，它確實帶來了經濟效益。

汽車和石油化工等其他行業就不追求產品性能了么？也追求啊，不過考慮成本的權重更大一些。如果不考慮成本，在這些行業也有很多可以使用高溫合金的應用場景。以前因為工藝和成本的原因并沒有這樣做，現在，隨著技術成熟度的提升和設備、原料成本的下降，會有越來越多的高溫合金替代傳統材料的應用案例出現。

增材制造好處多多

（1）放飛自由度：SLM為航空航天工程師帶來了更多的設計自由度，使得他們可以突破基于傳統制造工藝的設計思路；

（2）零件整合：根據零件特征整合組件數量，以減少后續焊接等操作；

（3）點陣或拓撲輕量化：通過引入點陣結構將零件的輕量化推向極限；

（4）最小化材料浪費：傳統的加工方式會導致高比例的切削廢料，而通過SLM打印零件，絕大多數情況下原材料的浪費要少得多；

（5）快速交付：獲得所有這些優化的同時，還能更快的交付。