介紹
鎳基高溫合金材料在航空和工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的熱渦輪截面上有著(zhù)廣泛的應用。傳統上，熱段燃氣輪機合金的開(kāi)發(fā)始于現有合金無(wú)法滿(mǎn)足的發(fā)動(dòng)機要求，例如更高的溫度、強度或耐久性要求。鑄造鎳基高溫合金提供了一個(gè)獨特的特點(diǎn)組合適合這些要求，也適用于小型渦輪和導彈發(fā)動(dòng)機。
高溫合金包括一組以鎳、鐵或鈷為基礎的合金，在5380℃(1000F)或更高的操作溫度下結構使用。高溫合金表現出優(yōu)越的高溫性能，并用于涉及燃氣輪機中較熱溫度和/或高應力的應用，較明顯的是渦輪葉片(或桶)、葉片(或噴嘴)、整體輪盤(pán)和燃燒室組件。除了在接近熔點(diǎn)的85%的工作溫度下保持高強度外，些材料在燃氣輪機環(huán)境中還表現出良好的熱腐蝕和抗氧化性能。此外，高溫合金可以經(jīng)濟地鑄造成復雜形狀和/或內部結構的部件，具有受控的均勻組織。
第二次世界大戰期間，高溫合金首次被引入軍用燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機，自那時(shí)以來(lái)，這項技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。隨著(zhù)鑄造工藝的發(fā)展，材料的不斷進(jìn)步，優(yōu)化的合金相互“跳躍”，以提高材料的整體性能。這些進(jìn)步包括常規鑄造、等軸(EQ)合金定向凝固(DS)和單晶(SX)鑄造部件。本文將討論每種鑄造技術(shù)的特點(diǎn)和應用，以及合金和性能的實(shí)例。
鑄造工藝開(kāi)發(fā)
鑄造技術(shù)進(jìn)步
鑄造高溫合金渦輪葉片和葉片的較初應用是常規鑄造等軸(EQ)合金。等軸鑄件用于大多數應用，包括靜態(tài)和旋轉部件，整體車(chē)輪和結構件。性能要求包括高溫蠕變和疲勞強度，制造和修復的延展性和可焊性。
定向凝固技術(shù)的引入使鑄件具有平行于旋轉零件高應力加載方向的柱狀晶粒(圖1)。這些鑄件由于消除了高應力加載軸橫向的晶界，并減少了由DS固有的緩慢移動(dòng)的凝固前沿造成的微孔隙率，從而實(shí)現了蠕變斷裂強度和LCF壽命的顯著(zhù)提高技術(shù)。DS合金通常用于旋轉部件應用，如2d和3d級渦輪葉片，EQ合金不能提供足夠的蠕變強度。
DS鑄造技術(shù)的進(jìn)一步擴展是單晶工藝的引入，由Pratt & Whitney Aircraft[2]首創(chuàng )，該工藝消除了所有的晶界，因此，需要晶界強化元素，如C、B、Hf和Zr。由于這些元素是熔點(diǎn)降低劑，因此SX合金的溫度性能顯著(zhù)提高。單晶合金用于要求較高的高應力/高溫發(fā)動(dòng)機應用，如1”級渦輪葉片和葉片和燃燒室組件。SX鑄件的優(yōu)點(diǎn)包括改善了蠕變、疲勞、氧化和涂層性能，從而使渦輪發(fā)動(dòng)機性能和耐久性更好[2-6]。此外，隨著(zhù)壁厚的減小，單晶合金的厚截面斷裂壽命仍然保持較高的比例(圖2)[7]。
圖2。斷裂壽命與試樣厚度的對比表明，SX鑄件優(yōu)于DS/EQ
先進(jìn)高溫合金材料
先進(jìn)的高溫合金材料已被引入，以響應工業(yè)對改善合金性能的需求。等軸合金cm939可焊“，cm247 LC”和cm681 LC, DS合金cm247 LC和cm186 LC和SX合金CMSX-4是這些改進(jìn)的代表。
cm939可焊合金
IN 939合金(表1[8])是在20世紀60年代末由國際鎳公司開(kāi)發(fā)的。這種22%的鉻(Cr)，耐高溫腐蝕合金已廣泛應用于工業(yè)燃氣輪機(IGT)市場(chǎng)的等軸葉片，段和燃燒器噴嘴。然而，由于邊緣延展性和相關(guān)的合金化學(xué)設計，IN 939鑄件很難焊接修復。
由于這些困難，Cannon-Muskegon開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)版本的IN 939合金，以提高修復焊接性和機械性能，重點(diǎn)是合金的延展性。與標準IN 939相比，設計了一種優(yōu)化的目標化學(xué)，顯著(zhù)降低了Al、Ti、Ta和Cb(從而降低了γ′相的體積分數)，優(yōu)化了B、Zr和C含量，顯著(zhù)提高了S、P、N、O和Si的合金純度。該專(zhuān)利成分已被指定。
cm939可焊合金
對cm939可焊合金進(jìn)行了廣泛的熱處理和顯微組織評價(jià)，以評價(jià)備選的熱處理工藝。商業(yè)上出現了兩種熱處理選擇理想的:一個(gè)五步生產(chǎn)周期，其中結合了一個(gè)典型的工業(yè)多階段熱處理ccle[91和涂層擴散循環(huán)]和一個(gè)簡(jiǎn)單的三步熱循環(huán)[10](還包括涂層擴散步驟)。
cm939可焊合金鑄態(tài)和熱處理后的典型組織分別如圖3-4所示。注意，在鑄態(tài)組織中存在較小的eta (n)相，而在熱處理組織中沒(méi)有eta相。Eta相，即Ni(Ti.Cb,Ta)，是一種不理想的脆性相，常存在于高Ti.Cr中。含Ta合金與低延展性有關(guān)[111。熱處理后的晶界碳化物顯微組織的高倍掃描電鏡照片顯示，細小的彌散碳化物是獲得良好合金強度和延展性的關(guān)鍵(圖5)[121]。
cm939可焊合金的典型拉伸性能如表2所示;典型的應力-破裂特性見(jiàn)表3和圖6。標準IN 939[13]和GTD 222[14]合金的性能比較。GTD 222合金(表1[15)是通用電氣公司開(kāi)發(fā)的一種替代合金，通常用于類(lèi)似于in939合金的應用。與標準in939合金相比，GTD 222具有更好的延展性，但強度較低。
對比數據分析表明，cm939可焊合金的強度與in939合金相近，但延性有所提高，與GTD 222相比，在保持良好延性的同時(shí)，強度有了顯著(zhù)提高。換句話(huà)說(shuō)，cm939可焊提供了三種合金的強度和延展性的較佳組合。
圖 6 – CM 939 可焊應力斷裂壽命（五步熱處理）
作為替代，三步熱循環(huán)更短，更簡(jiǎn)單，因此更便宜的后鑄造加工。該方案的力學(xué)性能數據顯示，與五步cvcle相比，強度有所提高，但延展性略有降低，但仍然可以接受。除了持久壽命的整體改善外，這種熱處理還顯著(zhù)提高了蠕變時(shí)間至1% [161]。
通過(guò)TWI有限公司(Cambridge UK)在一系列焊接前熱條件下(包括鑄態(tài)、過(guò)時(shí)效和熱處理態(tài))進(jìn)行的一系列試驗，評估了cm939可焊合金的改善的延展性和可焊性。良好的焊接規范包括鑄造后退火或焊接前過(guò)時(shí)效程序;其他條件被包括以關(guān)聯(lián)合金延展性的發(fā)生(或不發(fā)生)焊縫微裂紋。使用625、C263和Havnes 282合金填充絲進(jìn)行的板焊試驗表明，在焊接和焊后熱處理條件下均沒(méi)有HAZ開(kāi)裂的證據[17,18]。典型的微結構如圖7所示。這項工作以及對多個(gè)鑄件的常規修復焊接(無(wú)裂紋問(wèn)題)證實(shí)了cm939可焊合金的可焊性提高。較近的發(fā)展提高了強度能力，導致cm939可焊填充線(xiàn)的成功生產(chǎn)，該產(chǎn)品可從Polymet公司(辛辛那提，OH)獲得，用于cm939可焊鑄件的焊接修復。
圖 7 – CM 939 Weldable/C263 填充金屬熔合線(xiàn)的典型焊縫顯微組織
由于良好的性能評價(jià)，cm939可焊合金正在取代in738 LC和in713 LC合金，用于小型高性能渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機的燃燒室、渦輪外殼和葉片環(huán)等結構件。
CM 247 LC合金
早期的DS鑄件采用MAR M 002、MAR M 200和MAR M 247等軸葉片合金;然而，許多合金在DS晶界表現出低延展性和裂紋[191]。這為開(kāi)發(fā)利用DS工藝優(yōu)化的合金提供了動(dòng)力。CM 247 LC合金(表4)是MAR M 247合金的改進(jìn)，旨在減少薄壁復雜芯型鑄件的DS晶界開(kāi)裂。
cm247 LC合金的化學(xué)改性包括降低Zr和Ti含量，加強Si和S的控制，從而改善了鑄造性能。碳化物含量的降低提高了碳化物組織、碳化物穩定性和室溫至中溫塑性。cm247lc合金的延性比標準MAR M 247合金提高了2倍。W、Mo和CI含量降低，以補償較低的C，以平衡合金的Phacomp考慮[191這些變化也有利于等軸鑄件，從而減少熱裂和熱裂;因此，cm247 LC合金也被選擇為許多EQ應用，如軸向和離心整體輪，渦輪葉片和葉片段。
Re-bearing合金
合金發(fā)展的下一個(gè)重大進(jìn)展是將錸(Re)引入EQ。DS和SX allovs(表5)。這些所謂的“第二代”合金具有顯著(zhù)的蠕變斷裂性能，這是由于Re分散到y基體，延緩了y(強化)相的粗化，并增加了yly' misfit[201]。稀土“團簇”作為位錯運動(dòng)的障礙，從而提高了合金的強度。
滬公網(wǎng)安備 31011402010094號