航空铸造涡轮叶片合金和工艺发展

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1、航空铸造涡轮叶片合金和工艺发展-转载  2010-03-2623:14:37

2、  分类：【发-动-机】

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4、字号大中小 订阅摘要针对航空发动机涡轮叶片的工作环境和使用要求，介绍了提高涡轮叶片耐温能力的两种途径，即加强叶片冷却和提高叶片材质自身的耐温性能。文中着重评述了用作叶片材料的合金及其制造工艺的研究进展与发展趋势。关键词涡轮叶片高温合金熔模铸造定向凝固单晶叶片1前言　　随着航空技术的发展，对航空煤气涡轮发动机的综合性能提出了更高的要求，为满足高推重、低油耗的性能目标，各国除了采用高涵道比和高压比的技术手段外，还采用了提高涡轮进口温度的方

5、法。提高涡轮进口温度，对改善发动机热力循环性能，提高推重比有很大的作用。由于各国大力发展涡轮技术，涡轮进口温度提高很快(见图1)。现代航空燃气涡轮发动机的涡轮进口温度已高达1900℃一2100℃左右。　　涡轮进口温度的提高，意味着涡轮叶片将在更加恶劣的条件下工作。为此,人们在涡轮叶片设计、高温材料的研制、冷却方法研究及表面涂层等方面作了大量的工作，定向结晶、单晶高温涡轮叶片也就应运而生了(见图2)。　　涡轮叶片是航空发动机的关键零件，其承受温度的能力是评价发动机性能和决定发动机寿命的极其重要的因素。为了使涡轮叶片获得高耐温能力，应从两方面进行研究，

6、一方面是铸造工艺，由于目前已发展的高效冷却叶片具有非常复杂的形状和结构，因此对其铸造方法和工艺的要求越来超高；另一方面是叶片材质自身世能的改善或提高，这包括研究合金成分、制造方法、处理工艺等等。　　本文针对这两方面的内容，着重概述冷却叶片结构的发展，以利于铸造工作者能够从铸造高效率冷却叶片出发，研究相适应的铸造工艺。另外，重点评述近年来用于涡轮叶片的耐高温合金及其制取工艺的研究进展，并在此基础上，对叶片材料及工艺的发展趋势作一点肤浅的讨论。2定向结晶、单晶高温涡轮叶片及其研制2.1发展简介　　美国普惠公司在六十年代中期发明了高温合金定向凝固技术，采

7、用该项技术，可以生产出具有严格结晶位向(001)的柱晶、单晶组织叶片零件。定向结晶叶片在定向凝固过程中，可消除垂直于最大主应力轴的晶界，减少铸造冶金缺陷、热强性和热稳定性得到显著改善。资料表明，使用定向结晶涡轮叶片，就材料本身而言，能使涡轮进门温度提高20～60℃，美国率先在航空燃气涡轮发动机上使用了定向结晶涡轮叶片，如JT9D-70、TF3D9—100、F100—PW—100、PW4000及V2500等航空发动机上，就采用了定向结晶PWA644、PWAl422合金涡轮叶片。　　单晶高温合金，也是60年代中期由普惠公司与定向结晶涡轮叶片同时研制的，

8、在七十年代和八十年代先后在F100-PW-229和波音767的发动机中采用了PWAl482单晶涡轮叶片和FWAl480单晶涡轮叶片。　　单晶高温合金完全消除了高温断裂的晶界，可达到极高的蠕变相持久的强度，不含会降低合金熔点的晶界强化元素，因而可以调整达到最佳的合金成分。从而使单晶涡轮叶片的蠕变和持久性能比定向结晶涡轮叶片有明显的改善，叶片使用寿命提高很多。在JT9D发动机上的试车结果表明：定向叶片寿命是普通铸造叶片的2.5倍，单晶叶片的寿命是普通铸造叶片的5倍。如美国海军用直升机发动机T400—WV—402、原使用PWA1422定向叶片，寿命200

9、0小时．后改用PWAl480单晶叶片，寿命提高4000小时，达到6000小时，表1列举了单晶合金叶片的应用情况。　　　　　　 单晶涡轮叶片由于(高温)性能优越，所以发展是比较快的、到现在已经发展到了第三代。第一代单晶合合金是PWAl480和SRR99，比定向柱晶的使用温度高25—50℃；第二代是PWAl484、CMX4、及Rene’N4，比第一代单晶合金的温度提高25℃，第三代中的代表是日本新近开发的TMS26，可比第一代单晶合金提高耐温能力近90℃。我国在60年代末开始研究定向柱晶合金及空心无余量叶片精铸技术，经过20年的努力，先后研制成功DZ4

10、相DZ22等定向合金，现已投入批量生产。80年代，又开始了单晶合金及单晶叶片精铸工艺，已在实验室条件下精铸出DD3合金的空心元余量叶片。o定向结晶、单晶合金的性能持点　　采用定向凝固技术得到的定向结晶、单晶涡轮叶片，具有严格的结晶位向(001)晶。单晶合金与普通铸造合金相比，有以下特点。　　(1)定向结晶、单晶和普通铸造合金抗拉性能之间的最大差别是中温性能高。如760℃时，定向结晶(柱晶)和单晶的抗拉强度比普通铸造合金高,拉伸延性则在所有温度下都提高几倍。　　(2)定向结晶(柱晶)、单晶的持久强度在982℃左右提高了几倍，持久延性则在所有温度下部提

11、高了许多倍。　　(3)定向结晶、单晶的第一阶段蠕变量比普通铸造含金大．但第三阶段，在普通铸造合金中空穴和裂纹引起了蠕变和断