介紹
鎳基高溫合金材料在航空和工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱渦輪截面上有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，熱段燃?xì)廨啓C(jī)合金的開發(fā)始于現(xiàn)有合金無法滿足的發(fā)動(dòng)機(jī)要求，例如更高的溫度、強(qiáng)度或耐久性要求。鑄造鎳基高溫合金提供了一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)組合適合這些要求，也適用于小型渦輪和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)。
高溫合金包括一組以鎳、鐵或鈷為基礎(chǔ)的合金，在5380℃(1000F)或更高的操作溫度下結(jié)構(gòu)使用。高溫合金表現(xiàn)出優(yōu)越的高溫性能，并用于涉及燃?xì)廨啓C(jī)中較熱溫度和/或高應(yīng)力的應(yīng)用，較明顯的是渦輪葉片(或桶)、葉片(或噴嘴)、整體輪盤和燃燒室組件。除了在接近熔點(diǎn)的85%的工作溫度下保持高強(qiáng)度外，些材料在燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)境中還表現(xiàn)出良好的熱腐蝕和抗氧化性能。此外，高溫合金可以經(jīng)濟(jì)地鑄造成復(fù)雜形狀和/或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部件，具有受控的均勻組織。
第二次世界大戰(zhàn)期間，高溫合金首次被引入軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，自那時(shí)以來，這項(xiàng)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。隨著鑄造工藝的發(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(guī)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(yīng)用，以及合金和性能的實(shí)例。
鑄造工藝開發(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(yīng)用是常規(guī)鑄造等軸(EQ)合金。等軸鑄件用于大多數(shù)應(yīng)用，包括靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)部件，整體車輪和結(jié)構(gòu)件。性能要求包括高溫蠕變和疲勞強(qiáng)度，制造和修復(fù)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(zhuǎn)零件高應(yīng)力加載方向的柱狀晶粒(圖1)。這些鑄件由于消除了高應(yīng)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(xiàn)了蠕變斷裂強(qiáng)度和LCF壽命的顯著提高技術(shù)。DS合金通常用于旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)用，如2d和3d級(jí)渦輪葉片，EQ合金不能提供足夠的蠕變強(qiáng)度。
DS鑄造技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)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(qiáng)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提高。單晶合金用于要求較高的高應(yīng)力/高溫發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用，如1”級(jí)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(jī)性能和耐久性更好[2-6]。此外，隨著壁厚的減小，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(duì)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(yīng)工業(yè)對(duì)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(jì)60年代末由國(guó)際鎳公司開發(fā)的。這種22%的鉻(Cr)，耐高溫腐蝕合金已廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(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(shè)計(jì)，IN 939鑄件很難焊接修復(fù)。
由于這些困難，Cannon-Muskegon開發(fā)了一種改進(jìn)版本的IN 939合金，以提高修復(fù)焊接性和機(jī)械性能，重點(diǎn)是合金的延展性。與標(biāo)準(zhǔn)IN 939相比，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的目標(biāo)化學(xué)，顯著降低了Al、Ti、Ta和Cb(從而降低了γ′相的體積分?jǐn)?shù))，優(yōu)化了B、Zr和C含量，顯著提高了S、P、N、O和Si的合金純度。該專利成分已被指定。
cm939可焊合金
對(duì)cm939可焊合金進(jìn)行了廣泛的熱處理和顯微組織評(píng)價(jià)，以評(píng)價(jià)備選的熱處理工藝。商業(yè)上出現(xiàn)了兩種熱處理選擇理想的:一個(gè)五步生產(chǎn)周期，其中結(jié)合了一個(gè)典型的工業(yè)多階段熱處理ccle[91和涂層擴(kuò)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(kuò)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(xì)小的彌散碳化物是獲得良好合金強(qiáng)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(yīng)力-破裂特性見表3和圖6。標(biāo)準(zhǔn)IN 939[13]和GTD 222[14]合金的性能比較。GTD 222合金(表1[15)是通用電氣公司開發(fā)的一種替代合金，通常用于類似于in939合金的應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)in939合金相比，GTD 222具有更好的延展性，但強(qiáng)度較低。
對(duì)比數(shù)據(jù)分析表明，cm939可焊合金的強(qiáng)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(qiáng)度有了顯著提高。換句話說，cm939可焊提供了三種合金的強(qiáng)度和延展性的較佳組合。
圖 6 – CM 939 可焊應(yīng)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(shù)據(jù)顯示，與五步cvcle相比，強(qiáng)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，這種熱處理還顯著提高了蠕變時(shí)間至1% [161]。
通過TWI有限公司(Cambridge UK)在一系列焊接前熱條件下(包括鑄態(tài)、過時(shí)效和熱處理態(tài))進(jìn)行的一系列試驗(yàn)，評(píng)估了cm939可焊合金的改善的延展性和可焊性。良好的焊接規(guī)范包括鑄造后退火或焊接前過時(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(yàn)表明，在焊接和焊后熱處理?xiàng)l件下均沒有HAZ開裂的證據(jù)[17,18]。典型的微結(jié)構(gòu)如圖7所示。這項(xiàng)工作以及對(duì)多個(gè)鑄件的常規(guī)修復(fù)焊接(無裂紋問題)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(qiáng)度能力，導(dǎo)致cm939可焊填充線的成功生產(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(fù)。
圖 7 – CM 939 Weldable/C263 填充金屬熔合線的典型焊縫顯微組織
由于良好的性能評(píng)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(jī)的燃燒室、渦輪外殼和葉片環(huán)等結(jié)構(gòu)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(xiàn)出低延展性和裂紋[191]。這為開發(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(fù)雜芯型鑄件的DS晶界開裂。
cm247 LC合金的化學(xué)改性包括降低Zr和Ti含量，加強(qiáng)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(wěn)定性和室溫至中溫塑性。cm247lc合金的延性比標(biāo)準(zhǔn)MAR M 247合金提高了2倍。W、Mo和CI含量降低，以補(bǔ)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(yīng)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”合金具有顯著的蠕變斷裂性能，這是由于Re分散到y基體，延緩了y(強(qiáng)化)相的粗化，并增加了yly' misfit[201]。稀土“團(tuán)簇”作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，從而提高了合金的強(qiáng)度。
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