dz4合金定向凝固涡轮叶片再结晶试验研究

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1、贵州大学工程硕士研究生毕业论文第三类：950～1100℃使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金。这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金，110012、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。∞随着精密铸造工艺技术的不断提高，新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的cA技术等都使铸造高温合金水平大大提高，应用范围不断提高。本文所研究的DZ4合金就属于铸造合金中的定向凝固高温合金，而定向凝固高温合金的产生与发展就是为了

2、满足发动机性能和可靠性不断增长的需求。在长期的研究和使用过程中，研究人员仔细观察发现，等轴晶的变形合金和铸造合金的蠕变断裂和热疲劳破坏都与垂直于应力轴的晶界有关。研究表明晶界在高温受力条件下是合金较为薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快。旧大量韵事实也证明，绝大部分涡轮叶片的破环是由于晶界裂纹引起的，裂纹最容易沿垂直于应力轴的晶界快速发展，如能减少和消除涡轮叶片中垂直于应力轴的晶界将会显著提高叶片的寿命。旧Versnyderm通过控制减小横向晶界密度，使晶粒拉长至平行于应力轴的方式来抑制晶界断裂和提高延性。Northcott脚用简单定向铸造

3、法得到Cu-Zn合金的拉长晶粒。Versnyder和Guards““进一步得到镍基合金拉长晶粒组织与提高高温力学性能的关系。定向凝固技术发展成为工业生产发动机涡轮叶片的手段。1960年Kraft“”首先提出用定向凝固获得共晶反应的两相或多相合金，即自生复合材料(insitucomposite)；即一次从熔体直接生产出零件，组成复合材料的相在热力学上是比较稳定的；相对体积份数的变化范围很小。定向凝固合金的显微组织决定于凝固前沿熔体中温度梯度G。和凝固速度vf，的大小。控制这两个参数，可以得到不同组织与性能的共晶材料。获得定向凝固的工艺方法按铸件与热源的相对位置可以区

4、分为以下几个方面：a．铸件与炉子都固定的定向凝固法将合金熔液浇入一端良好散热而其余部分良好绝熟的铸型中。这种简单工艺的凝固取决于零件的尺寸和形状，合金的潜热、比热、密度以及铸型与激冷器的热性能，合金液和激冷器的温度等。关键是在铸造中不能控制局部凝固速度及温度梯度。在此基础上发展的几种改进方法有：(1)发热铸型法。铸型周围填充发热材料，用水冷底板，获得较陡的温度梯度，已用于生产小型发动机零件。(2)功率降低法。控制铸件外部保温炉的功率，并监控铸件的温度以获得稳定的凝固速度。贵州大学工程硕士研究生毕业论文b．移动铸型法这种改进功率降低法的快速凝固法(HRS)已成为当前

5、实验室和工业生产上广泛应用的。根据Brid鄹an—stockqarger晶体生长技术，使铸件以一定速度从熔炉内抽拉提出；或炉子移离铸件，保持全功率以vl速度移动。HRS法达到稳态最高温度梯度取决于铸件尺寸及热辐射性能：若能加速热辐射冷却或用其他快速散热方法，将进一步改善定向凝固工艺。C．加速冷却法冷却介质与正在凝固的铸锭或零件紧密接触，使传热系数远高于通常的辐射传热。(1)液体金属冷却法。蚴用Sn作定向凝固冷却介质的工业生产方法已建立，将冷却液态金属流动使13mm直径铸锭的冷速由lOKnrn-1提高至20Kmm-1oFlemings等“”使输入热集中到凝固前沿界面

6、的浅熔池内，使温度梯度提高至1000Kmm-1。冷却用的液态金属也有采用Bi、Pb等低熔点金属，在揽拌下冷却铸锭或铸件。(2)流态床冷却法。“”用悬浮在惰性气体氩或氦中的稳定陶瓷粉末(氧化铝)作为流态化床的冷却介质，可达到液态金属的冷却强度而避免污染。(3)冷却回路法及喷水冷却法。d．区域熔炼法炉料在陶瓷壳型内，金属液与铸型接触时间短以减少接触时化学反应。悬浮熔炼可不使用容器，但仅能生产直径10聊以下的铸锭。区域熔炼的最大优点是避免Cotac和Nitac等含重金属元素的自生复合材料的偏析；主要缺点是不适合制造如涡轮叶片之类的工程零件。电渣重熔或电熔剂重熔技术生产(

7、Fe，cr，A1，Y)—cr7C3自生复合材料铸锭的工艺也是很有吸引力的。e．薄片生长法(EFG法)发展Czochralski晶体生长技术，利用毛细管将熔融合金吸入不润湿模内与籽晶接触，抽拉籽晶，在小截面上传热快，温度梯度高达40～60Knm-1，制成带冠或叶形定向凝固共晶材料。对Y—Y’一6、Cotac等空心棒获得胞状组织或带状材料。在提拉籽晶法生产定向共晶材料的基础上，进一步发展单晶生产工艺。即由于晶粒的竞争生长，形成平行于抽拉方向的(001)结构。Piearcey“。提出在铸型中设一缩颈过道作为初始阶段的过渡，即晶粒选择器，制成螺旋形或直角形，或折线形。至此

8、，在定向凝