cm681 LC合金
Cannon-Muskegon開發(fā)了cm681 LC合金作為高性能整體鑄造渦輪車輪合金。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)動機(AMSTE)團(tuán)隊NASA航天工業(yè)技術(shù)項目(AITP)項目確認(rèn)鑄造性能的低敏感性熱撕裂/熱裂化和車輪質(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合金開發(fā)或設(shè)想的應(yīng)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(dǎo)彈、無人機和APU渦輪發(fā)動機，以及用于分布式動力的微型渦輪機。徑向渦輪輪的應(yīng)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)+雙時效條件下使用固溶熱處理誘導(dǎo)再結(jié)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(yīng)力斷裂試驗條件下，cm186lc合金的Larson-Miller斷裂壽命相當(dāng)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(yīng)力斷裂壽命
近年來，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)有時被鑄件復(fù)雜性導(dǎo)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(yīng)力位置將LAB缺陷限制在6-8.5°。
DS Re-bearing合金(如cm186 LC)有時被用于取代第一代SX合金(如CMSX-2/3)，由于較高的鑄造產(chǎn)量，成本節(jié)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(qū)域的晶界，特別是多個翼型段的內(nèi)、外葉冠。因此，sx鑄造cm186lc合金以生產(chǎn)具有更大晶粒規(guī)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)成功實現(xiàn)了這一點，發(fā)動機的使用經(jīng)驗為3500萬小時/飛行循環(huán)，部件壽命通常為20000小時/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(jié)段
CMSX-4合金
CMSX-4是第二代稀土鎳基Sx高溫合金，文獻(xiàn)對其進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和記錄[4.5.22.24-251]。表5提供了標(biāo)稱化學(xué)成分。自1991年以來，CMSX-4合金已成功地應(yīng)用于許多航空和工業(yè)燃?xì)廨啓C應(yīng)用。這些應(yīng)用，如高壓渦輪葉片和密封，在廣泛的發(fā)動機服務(wù)中顯示了令人印象深刻的高溫強度、良好的相穩(wěn)定性和氧化、熱腐蝕和涂層性能的結(jié)合[26-28]。迄今為止，CMSX-4合金已經(jīng)制造了近1000萬磅(1200熱)。
CMSX-4 [La+Y]合金隨后被引入，以滿足日益增長的發(fā)動機熱截面渦輪部件的設(shè)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(nèi)部氧化，并改善熱障涂層(TBC)的粘附性。反應(yīng)性元素添加的評價表明，添加鑭(La)和釔(Y)可以顯著改善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(jié)合硫和磷作為穩(wěn)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) 動態(tài)循環(huán)氧化結(jié)果
在1050C (1922F)下進(jìn)行蠕變斷裂測試后觀察到的顯著的表面微觀結(jié)構(gòu)顯示了添加La + Y的好處(圖12)[301]。1389小時后，出現(xiàn)了一層8微米厚的2層氧化膜，完全沒有伽馬素耗盡的證據(jù)。如果沒有La+Y的加入，在這個溫度下長期暴露將會導(dǎo)致顯著的Y '損耗。這種行為轉(zhuǎn)化為EB-PVD TBC壽命的實質(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結(jié)構(gòu)](../uploads/images/20211013/03cdb94d72f066ed0b840c85475634a9.png)
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結(jié)構(gòu)
圖 13 – 反應(yīng)元素對 EB-PVD TBC 壽命的影響 1093°C/10 小時熱暴露循環(huán)
CMSX-4(SLS) La+Y]合金是CMSX-4的改進(jìn)版本，采用La和Y預(yù)合金化，硫含量始終保持在1ppm。采用預(yù)合金CMSX-4(SLS)La+YI鑄錠進(jìn)行的鑄造試驗表明，與傳統(tǒng)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(dǎo)攪拌之前的倒。預(yù)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間所需的剩余硫，較大限度地減少了反應(yīng)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(xù)較低，因此需要更小的La+Y保留量來獲得同樣優(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(dǎo)彈和小型渦輪發(fā)動機的較熱應(yīng)用。CMSX-4(SLS)ILa+Y]提高了裸合金和/或涂層的抗氧化性。
總結(jié)
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)動機、渦輪增壓器和導(dǎo)彈發(fā)動機部件。等軸的典型性質(zhì)和應(yīng)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(jì)地制造這些發(fā)動機程序的復(fù)雜配置。
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