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国内外铸造高温合金技术发展历程

厂家:上海炫纵实业 浏览量:发布时间:2021-10-29 14:00:10

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国内外铸造高温合金技术发展历程铸造高温合金是高温合金领域中极为重要的一大类合金,由于对合金材料本身的研究和各种先进铸造技术的应用,促进了铸造高温合金性能的不断提高,种类和应用范围的不断扩大,已经并将在较长的时期内占有重要地位。20世纪40年代以来,航空发动机涡轮前温度从730℃上升到了1677℃,这使得航空发动机获得空前

国内外铸造高温合金技术发展历程

铸造高温合金是高温合金领域中极为重要的一大类合金,由于对合金材料本身的研究和各种先进铸造技术的应用,促进了铸造高温合金性能的不断提高,种类和应用范围的不断扩大,已经并将在较长的时期内占有重要地位。20世纪40年代以来,航空发动机涡轮前温度从730℃上升到了1677℃,这使得航空发动机获得空前的巨大进步,而这一进步与多种因素有关,其中,铸造高温合金的技术进步发挥了非常重要的作用。1943年,美国GE公司用钴基合金HS-21制造了J-33航空发动机的涡轮工作叶片,代替了原先的锻造高温合金Hastelloy-B,这开创了使用铸造高温合金的历史。由于当时以及50年代,铸造叶片晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,因而叶片的主要失效形式是疲劳断裂,并且当时的锻造技术和沉淀硬化型镍基变形高温合金发展较快,使得设计者优先选用变形高温合金而非铸造高温合金。到了60年代,随着发动机工作温度的提高,要求材料有更好的高温强度,使得合金化程度进一步提高以增加合金中γ'相的含量,这使得变形高温合金越来越难以满足要求。因为进一步的合金化导致了在热锻叶片加工时易造成热裂和初熔。同时,熔模铸造技术日益成熟,真空熔炼与真空浇注技术得到应用和发展,借碳沸腾以去除高温合金中的氧、氮、硫及低挥发的有害杂质,这些都使得合金的性能得到提高,性能的可靠性亦有了进一步的保障。这时精密铸造法已成为现代制造高温合金涡轮的主要方法。为了有效地提高涡轮的进气温度,英国从60年代初就使用起空心叶片,达到了提高进气温度100℃的效果。60年代中期,发展了定向凝固高温合金技术,随后,美国Pratt&Whitney及TRW发展出单晶叶片。由于定向凝固法制造单晶叶片的成功,并且表现了优异的高温性能,使得几乎所有的先进发动机都选用铸造高温合金来制作最高温区工作的叶片,确立了铸造高温合金叶片的垄断地位。现在单晶合金已经发展到了第四代。从承温能力最高的等轴合金发展到第四代单晶合金,其承温能力提高了180℃。

国内外铸造高温合金技术发展历程

高温合金技术

由于传统高温合金的应用潜力已基本耗尽,各国都在寻求原先高温合金的替代材料。Ni3Al金属间化合物由于具有熔点较高、密度较轻、高温性能及抗氧化性能好等优点,而备受青睐。俄罗斯经过20多年的研究,发展了一系列的Ni3Al基合金,作为1150~1200℃范围使用的燃烧室或导向叶片材料。该系列包括等轴、定向及单晶等不同成分的Ni3Al合金,其中一些合金具有相当好的综合性能,已得到了广泛的应用。美国将Ni3Al合金称为IC合金,经过多年的努力,已开发出一批Ni3Al基,添加硼、铬、铪、锆、钼元素的系列合金,获得了良好的综合性能。另外,在定向凝固共晶高温合金方面,美国、俄罗斯、法国均已研发出了第二代合金,它们的牌号为:NITAC、COTAC、BKC.世界四大航空航天国美国、俄罗斯、英国、中国都各自建立了一套完整的铸造高温合金体系。

我国铸造高温合金是从20世纪50年代发展起来的,虽然起步较晚,但是经过几十年的发展,已经达到了较高的水平。我国铸造高温合金从仿制苏联高温合金开始,发展到独创和提高阶段。尤以60~70年代一批性能优异的铁基高温合金先后研制成功为代表。

50年代后期,在苏联专家的指导下,研制成功了K401等铸造高温合金并应用于BK-1A型喷气发动机。60年代前期,用真空熔炼和多层型壳精铸技术取代了原先的非真空熔炼和湿法造型精铸技术,开创了我国铸造高温合金新工艺。1966年,九小孔铸造空心气冷涡轮叶片试车成功,使我国成为世界上第二个采用铸造空心涡轮叶片的国家。我国在定向凝固高温合金和单晶合金领域也取得了一定的成就。由航空材料研究院研制的DZ4合金是我国第一种投入使用的定向凝固高温合金。航空材料研究院和钢铁研究总院都在单晶合金方面做了很多的工作,研制的单晶合金有DD3、DD4、DD6和DD402.中科院金属研究所研制了具有很好耐蚀性的DZ38G和DD8合金,它们适用于舰船或舰载发动机的涡轮叶片。在高温合金的替代材料研究方面,我国对金属间化合物的研究也投人了大量的人力和物力,进行了比较系统的研究,在基础理论和应用领域取得了很大的进展。北京航空材料研究院采用传统的定向凝固铸造方法生产的Ni3Al基IC-6,在1100℃、100h的持久强度达到了90MPa,室温的拉伸强度达到1200MPa,现已用于小批量的某航空发动导向叶片。钢铁研究总院研究的MX246合金已在高温耐磨工况条件下得到了广泛的应用。我国在定向凝固共晶高温合金的研究方面,进行了有益的探索,但仍处于起步阶段。我国所研制的铸造高温合金见表1-1。

世界范围内铸造高温合金近20年的发展情况,具有以下特点:首先是对等轴晶铸造高温合金,靠设计成分而发明新的合金已不多,较多的研究工作是对现有合金进行元素的微量调整和更合理的搭配,加上先进的冶炼净化、热等静压、热处理等技术,最大限度地发展材料潜力,在提高力学性能的同时,更重视材料的可靠性、稳定性、环境性和经济性。另一特点是合金材料的研究与先进的特种凝固工艺更为紧密的结合,形成了新的合金系列或使合金组织性能发生很大变化。

其原因在于工作条件的特殊性,对铸造高温合金某些指标提出了很高的要求,从而促使铸造高温合金技术由单一的较粗大等轴晶组织,向两个相反方向发展:

1.通过细晶铸造技术,使高温合金铸件组织形成细小均匀的等轴晶,有效地提高合金的屈服强度和抗机械疲劳性能;

2.即通过定向凝固技术,控制晶凝固成单晶组织,大幅度地提高合金的高温持久和蠕变性能。另外,真空吸铸、离心铸造、连续铸造等工艺技术也不同程度地促进和扩大了铸造高温合金的发展和应用。再一个特点是其他学科或技术领域在铸造高温合金研究中越来越多地得到应用,如热等静压技术、计算机技术等。

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