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cm681 LC合金

Cannon-Muskegon開(kāi)發(fā)了cm681 LC合金作為高性能整體鑄造渦輪車(chē)輪合金。該合金是一種抗氧化的氧化鋁形成劑，具有較高的Ta，較低的Ti，3% Re和1.5%高頻(表5)。厘米681 LC是評估的先進(jìn)材料對小型渦輪發(fā)動(dòng)機(AMSTE)團隊NASA航天工業(yè)技術(shù)項目(AITP)項目確認鑄造性能的低敏感性熱撕裂/熱裂化和車(chē)輪質(zhì)量評[21]。

cm681 LC合金相對于EO MAR M 247和EO CM 247 LC合金的典型室溫拉伸性能見(jiàn)表6。cm681 LC和MAR M 247的斷裂壽命對比如圖8所示。

圖 8 – CM 681 LC/MAR M 247 比較 Larson-Miller 斷裂壽命

為cm681 LC合金開(kāi)發(fā)或設想的應用包括具有成本效益的、高性能整體鑄造軸向渦輪輪轂，用于巡航導彈、無(wú)人機和APU渦輪發(fā)動(dòng)機，以及用于分布式動(dòng)力的微型渦輪機。徑向渦輪輪的應用也在發(fā)展中。

cm186 LC合金

cm186 LC是一種Re-bearing DS合金(表5)，其力學(xué)性能接近第一代(非Re-bearing) SX高溫合金。保持了dscm247lc合金良好的鑄態(tài)性能，cm186lc合金可在鑄態(tài)+雙時(shí)效條件下使用固溶熱處理誘導再結晶(RX)的制造成本和防止缺陷[22]

如圖9所示，在982C 1800 F的蠕變/應力斷裂試驗條件下，cm186lc合金的Larson-Miller斷裂壽命相當于第一代Sx allovs CMSX-2/3。較高溫度下的強度介于DS CM 247 LC和CMSX-2/3[22]之間。

圖 9 – DS CM 186 LC、DS CM 247 LC 和 SX CMSX-2/3 的 Larson-Miller 應力斷裂壽命

近年來(lái)，SX技術(shù)的優(yōu)勢(由于優(yōu)越的疲勞性能，提高了部件的壽命)。蠕變、氧化和涂層性能)有時(shí)被鑄件復雜性導致的低產(chǎn)量所抵消。由于所有的晶界強化元素已經(jīng)被消除，這里對鑄造異常的容忍度非常小，例如低角度和高角度邊界(LAB/HAB)。典型的SX鑄件在鑄件的較高應力位置將LAB缺陷限制在6-8.5°。

   DS Re-bearing合金(如cm186 LC)有時(shí)被用于取代第一代SX合金(如CMSX-2/3)，由于較高的鑄造產(chǎn)量，成本節約[31]。然而，DS部件比SX葉片鑄件的優(yōu)勢更小，因為在非翼型區域的晶界，特別是多個(gè)翼型段的內、外葉冠。因此，sx鑄造cm186lc合金以生產(chǎn)具有更大晶粒規格的單晶鑄件的概念被評估，旨在放松晶粒要求以獲得更高的鑄造產(chǎn)量[23]。勞斯萊斯AE3007和AE1107C Liberty第二葉片已經(jīng)成功實(shí)現了這一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機的使用經(jīng)驗為3500萬(wàn)小時(shí)/飛行循環(huán)，部件壽命通常為20000小時(shí)/循環(huán)(圖10)。

圖 10 – 用 SX CM 186 LC 合金鑄造的 AE 3007 A1 第二葉片節段

CMSX-4合金

CMSX-4是第二代稀土鎳基Sx高溫合金，文獻對其進(jìn)行了廣泛的調查和記錄[4.5.22.24-251]。表5提供了標稱(chēng)化學(xué)成分。自1991年以來(lái)，CMSX-4合金已成功地應用于許多航空和工業(yè)燃氣輪機應用。這些應用，如高壓渦輪葉片和密封，在廣泛的發(fā)動(dòng)機服務(wù)中顯示了令人印象深刻的高溫強度、良好的相穩定性和氧化、熱腐蝕和涂層性能的結合[26-28]。迄今為止，CMSX-4合金已經(jīng)制造了近1000萬(wàn)磅(1200熱)。

CMSX-4 [La+Y]合金隨后被引入，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的發(fā)動(dòng)機熱截面渦輪部件的設計要求。特別感興趣的是改善裸合金氧化性能，以減少葉尖和內部氧化，并改善熱障涂層(TBC)的粘附性。反應性元素添加的評價(jià)表明，添加鑭(La)和釔(Y)可以顯著(zhù)改善CMSX-4裸合金(硫含量為s2 ppm)的氧化行為(圖11)[29]。這些活性元素結合硫和磷作為穩定的硫化物/磷化物，對氧化鋁垢的粘附有有利的影響。

圖 11 – 添加和不添加活性元素的 CMSX-4 裸合金的 1093°C (2000°F) 動(dòng)態(tài)循環(huán)氧化結果

在1050C (1922F)下進(jìn)行蠕變斷裂測試后觀(guān)察到的顯著(zhù)的表面微觀(guān)結構顯示了添加La + Y的好處(圖12)[301]。1389小時(shí)后，出現了一層8微米厚的2層氧化膜，完全沒(méi)有伽馬素耗盡的證據。如果沒(méi)有La+Y的加入，在這個(gè)溫度下長(cháng)期暴露將會(huì )導致顯著(zhù)的Y '損耗。這種行為轉化為EB-PVD TBC壽命的實(shí)質(zhì)性改善，如圖13[31]所示。

圖 12 – CMSX-4 [39 ppm La+Y] 在 105°0C/125 MPa 下進(jìn)行蠕變斷裂測試后的表面微觀(guān)結構

圖 13 – 反應元素對 EB-PVD TBC 壽命的影響 1093°C/10 小時(shí)熱暴露循環(huán)

CMSX-4(SLS) La+Y]合金是CMSX-4的改進(jìn)版本，采用La和Y預合金化，硫含量始終保持在1ppm。采用預合金CMSX-4(SLS)La+YI鑄錠進(jìn)行的鑄造試驗表明，與傳統的鎳箔包裹在鑄爐爐料增量上附加包料相比，La+Y含量的控制和保留得到了改善。添加包的有效性取決于融化和隨后的誘導攪拌之前的倒。預合金化的鋼錠提供了更大的一致性的活性添加物在熔化的合金中，并減少了在溫度保持時(shí)間所需的剩余硫，較大限度地減少了反應元素在重熔期間的損失。此外，由于CMSX-4(SLS)ILa+YI的硫含量持續較低，因此需要更小的La+Y保留量來(lái)獲得同樣優(yōu)越的裸氧化性能和涂層/TBC壽命[32]。

CMSX-4合金是理想的小型固體非冷卻部件在導彈和小型渦輪發(fā)動(dòng)機的較熱應用。CMSX-4(SLS)ILa+Y]提高了裸合金和/或涂層的抗氧化性。

總結

鎳基鑄造高溫合金具有優(yōu)異的綜合性能，適用于小型微型渦輪、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機、渦輪增壓器和導彈發(fā)動(dòng)機部件。等軸的典型性質(zhì)和應用。討論了定向凝固和單晶鑄造的成分。潛在的好處包括提高溫度能力和耐久性，以及經(jīng)濟地制造這些發(fā)動(dòng)機程序的復雜配置。