镍合金在航空领域的应用与发展

英国的R.F.Smith论述了镍合金在航空新近应用的 4 个方面的发展，首先是盘件合金;其次是低膨胀超合金;再次是可超塑成型的镍基超合金(Inconel718合金);第4是复合材制备工具用的低膨胀合金(Nilo)。

航空发动机盘用镍基超合金 该类合金的发展目标是通过增加添加元素，使其具有更高使用温度。新近发展的一种蠕变及疲劳性能更优良的镍基合金，其成分为 Ni-20Cr-1.5Al-3Ti-4.5Mo-13.5Co。最初采用真空感应熔炼(VIM)和真空电弧重熔(VAR)制备此合金。由于合金出现成分偏析白斑和碳化物聚集导致盘件寿命降低，美国特种金属公司(SMC)改用VIM 和电渣精炼才消除了这些缺陷，未来更新的发动机要求使用材料的温度和强度更高。最初用于叶片的Udimet 720合金(Ni-16Cr-2.5A1-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W)需采用粉末冶金方法才能制备成大型盘锻件，而现在 SMC 通过对熔炼和精炼工艺，以及锻造工艺的研究改进，已成功地制备了φ250mm直径的锻坯，并且用在了民用和军用机的发动机上。

低膨胀超合金 用在气体涡轮发动机上的含铬的超合金，如Inconel 718合金具有高膨胀性，会引起配合公差等难题，需要精心设计和采用昂贵的机械冷却系统及在转动件和密封之间留有有效间隙等措施来解决这些问题，为了从根源上解决问题从此便开始了探索用新的低膨胀性超合金提高发动机效率和含铬低的Incoloy903合金用于压缩机匣和套盖研制，后来又发展了添加铌和减少铝含量的 Incoloy907 合金，以及添加硅的Incoloy909合金，后者虽然提高了持久寿命和塑性，但其高温抗氧化性差，需要高温涂层才能用，而且有应力集中会加速晶界裂纹扩展等问题。为此，又研制了含钴高的Inconel 783合金(28.5A13Cr34Co.3Nb5.4A10.1Ti)。该合金具有抗氧化性和抗应力晶界裂纹扩展性，可用到700℃以下温度，无需涂层，它的应力持久性能优于 Incoloy 909 合金，也具有一定低膨胀性，是未来航空材料主要研究对象。

Inconel718SPF--可超塑成型的镍基合金，该合金成分与标准的(AMS5596)Inconel718合金相同，含 50%Ni，17%Cr，0.6%A1，1%Ti，30%Mo，5%Nb，余量为Fe。但合金也有自己的标准AMS5950，其主要差别是要求用最佳的热变形得到细的晶粒度，与普通 Inconel 718合金相比，细晶可超塑成型的 Inconel 718SPF合金疲劳寿命提高100倍，而且充分利用超塑成型技术更容易制成形状复杂，高温下比强度高，制造成本低的元件。因为最初的超塑成型技术主要用于铝和钛合金。 Inconel 718SPF超塑成形合金代表着材料超塑成形技术领域的最新进展。

用于复合材工具的低膨胀合金(Nilo)近来随着飞机蒙皮材料由铝转向碳增强的热固性和热塑性树脂材料，加工制造这种复合材构件用的工具材料的膨胀特性在整个复合材固化温度范围应与被加工材相似。当然，可以利用复合材制成模具，但其使用寿命短，成本高，不利于批量生产。因此，Nilo合金“固瓦效应’(Invar effect)的低膨胀特性便能满足这一要求。自1985年以来，SMC公司已生产了许多 Ni-Fe固瓦合金，如Nilo36和Nilo42合金，当时这些合金并没有用于复合材工具上。现在已生产了Nilo 合金的宽厚板，挤压型材和方棒等，用来制造复合材加工工具。Nilo 合金易于加工制造成形状较复杂的复合材加工工具，其屈服强度为276MPa，拉伸弹性模量为138GPa，延伸率可达50%，而且加工硬化率低，弹性回弹小，Nilo36 合金易于冷、热加工成型。早先Nilo 合金用于复合材加工工具受到限制的一个主要原因是焊接问题。现在 SMC 公司已研制出焊接用的充填合金CF36和CF42，它们是加入Nb-C 改型的合金，其成分分别为CF36:0.2C，0.4Mn，36Ni，1.5Nb，其余为Fe;CF42:0.2C,0.4Mn，41.5Ni，1.5Nb，其余为Fe，这2种合金分别用于Nilo36和 Nilo42合金的焊接,焊接接头具有与基材相同的膨胀系数，得到高质量、无裂纹的焊缝。 Ni-Fe固瓦合金制成工具和进行焊接后，应在760℃下退火2h，随后炉冷或空冷消除应力。

最近，美国SMC又研制了刚性更好、硬度更高的Nilo365合金，可以制成使用寿命更长的加工工具。该合金成分与Nilo36 合金相似，但添加了Nb和Ni(43.5Ni3.3Nb1.4Ti0.2Co余量为Fe)。

总之，在发动机盘件方面，SMC 继续按照发动机厂家的要求开发研究发动机铸件用的低膨胀合金，并向厂家提供可超塑成型的更新合金。在复合材加工制造方面，SMC 继续开发研究和供应加工工具用合金，自1940年的航空发动机到今天的飞机复合结构件，镍基合金对航空工业起到了极其重要的作用。

本公司拥有先进的特种冶炼、铸造、拔丝、氢褪等全生产链设备，可自主生产耐蚀合金(纯镍丝N4、N6、蒙乃尔Monel400、500)、铜镍低电阻发热合金(NC003-NC050)、热电偶用补偿导线合(K,N,E,T,J型)、高温合金、精密合金、储氢合金等高性能特种合金材料丝材、扁材、绞线、棒材、卷料等。从上游的原材料采购到下游的成品物理特性检测，到最后的产品质量跟踪，全方位监控产品质量。