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單晶高溫合金研發概況

2022/3/30 16:30:24??????點擊:

單晶高溫合金研發概況

單晶高溫合金(如無特殊說明,文中單晶合金均指鎳基單晶高溫合金)主要用于制造航空發動機、燃氣輪機熱端渦輪葉片,其承溫能力是提升發動機性能、效率、可靠性的關鍵技術指標。在美國、俄羅斯、德國、英國、法國、日本等發達國家,單晶高溫合金的 研發工作開展早、技術成熟度高,但對單晶高溫合金研發及單晶葉片的研制一直非常重視。

單晶高溫合金的研發起始于20世紀70年代的美國普惠公司(Pratt & Whitney),M. E. Shank、F. Ver‐ Snyder A. F. Giamei 等人在普惠的先進材料實驗室中組建和領導了由材料性能、氧化和腐蝕、工藝、難熔金屬、陶瓷、化學、X-射線衍射、微觀結構等領域相關人員構成的研發隊伍。到20世紀70年代中期, 實驗室已經在相圖、微量元素、γ/γ'共格關系、位錯、 反相籌界、層錯、位錯動力學、析出相成分及動力學、γ'粗化、成分分配、微觀偏析、晶界、碳化物、枝晶競爭生長、彈性各向異性等方面開展了大量工作,同時也針對定向凝固、型殼、雀斑等工藝問題進行了深入研究。實驗室開發了定向和單晶合金,與供應商密切合作,很快將定向鑄件的合格率提升到 90%。 隨著單晶葉片在直升機發動機PT6上的成功測試,

到1981年,單晶葉片開始在軍用和民用發動機上大量測試。

經過幾十年的發展,目前在高強單晶高溫合金的成分設計方面已經掌握了一些基本規律[3],例如:

(1) 要有較高的 Al、Ti、Ta 含量以保證足夠高的 γ'相體積分數;(2) γ/γ'兩相的錯配度必須調整到很小以降低界面能;(3) 要有足夠多的固溶強化元素 W、 Mo、Ta、Re、Ru,以保證高溫蠕變性能,但這些元素的含量又需要精確控制以防止有害相的析出;(4) 必須保證足夠的抗氧化性能。在長壽命抗熱腐蝕單晶合金的成分設計中也發現了一些初步的規律[3~5],例

如:(1) 需要保證足夠高的Cr含量、較高的Ti含量以形成穩定的Cr2O3,抵抗熔鹽熱腐蝕;(2) Mo、W對熱腐蝕性能不利,而適量的Ta、Re可能改善熱腐蝕性能;(3) γ/γ'兩相的錯配度要調整到更小以保證合金長期的組織和性能穩定性。

單晶高溫合金從第一代發展到第四代,貴金屬元素Re、Ru含量不斷增加,成本越來越高(典型第二 代單晶合金含3%Re (質量分數,下同),第三代單晶合金 Re 含量達到 6%,而第四代單晶合金中除了6%Re,同時添加了 3%Ru)。合金承溫能力以 20~ 30 ℃/代的速率緩慢提升,但與此同時,單晶葉片的工作溫度已經提高到1827 ℃,甚至更高,遠遠高于單晶高溫合金的初熔溫度(1280~1330 ℃)。因此單晶葉片工作溫度的提升除了依賴單晶合金及防護涂層,更重要的是單晶葉片冷卻技術的發展。從早期的實心無冷卻葉片,到細直孔、大孔、蛇形/矩陣冷卻通道,加上氣膜冷卻,甚至是復雜的雙層壁冷卻結構,葉片的冷卻效率不斷提升。復雜的冷卻結構對單晶高溫合金的工藝性能提出了很高的要求,如何控制復雜結構和高合金化帶來的各種鑄造和后處理缺陷也因此成為單晶高溫合金研發的重要方向之一。

近年來,我國單晶高溫合金研制與應用取得了顯著進展,已經具備了單晶高溫合金新材料、新工藝自主研發能力,并形成了生產裝備比較先進、具有一 定規模的生產基地,特別是近幾年在軍民融合相關政策的引導和推動下,出現了一批高溫合金相關的民營企業,其中絕大多數聚焦于單晶高溫合金母合金和單晶葉片的生產。

但是,目前國內航空發動機、燃氣輪機用單晶高溫合金及葉片大部分仍處于研發、試制、考核階段, 以需求牽引為主,僅僅初步解決了有無問題,單晶高溫合金的研發水平與發達國家仍有很大差距,技術成熟度低,在工程應用中還面臨很多問題。

本文概述了近年來單晶高溫合金的研發進展??偨Y了單晶合金近幾年的發展及其成分設計方

法;介紹了單晶合金蠕變、疲勞、氧化和熱腐蝕機理,以及單晶合金中常見缺陷對力學性

能的影響。在單晶葉片制造工藝方面,總結了高速凝固、氣冷、液態金屬冷卻、以及流態床冷卻等 。

幾種常見定向凝固工藝的研發和應用現狀,并介紹了單晶葉片中幾種常見缺陷的形成機制和相關控制技術。

 

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