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简介镍基单晶高温合金的发展

厂家:上海炫纵实业 浏览量:发布时间:2021-10-29 14:05:38

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简介镍基单晶高温合金的发展一般多晶高温合金中晶界杂质较多,原子扩散速度快,原子排列不均匀,使其成为高温下晶界较为脆弱的部位。在高温合金变形过程中,与应力轴垂直的晶界是主要的裂纹来源,成为提高合金性能的主要障碍。所以取消和应力轴垂直的横向晶界,让晶粒沿受力方向发展,将大大提高合金的力学性能,从而出现定向凝固技术。定向

简介镍基单晶高温合金的发展

一般多晶高温合金中晶界杂质较多,原子扩散速度快,原子排列不均匀,使其成为高温下晶界较为脆弱的部位。在高温合金变形过程中,与应力轴垂直的晶界是主要的裂纹来源,成为提高合金性能的主要障碍。所以取消和应力轴垂直的横向晶界,让晶粒沿受力方向发展,将大大提高合金的力学性能,从而出现定向凝固技术。定向型凝固技术的出现,不仅改善了合金的蠕变性能,而且大大改善了其热疲劳性能,但定向结晶后的发展,由于裂纹在纵向留下的晶界中出现,因此可以将其制成单晶,并将其完全消除,从而使高温合金的力学性能再次得到改善。

单晶体合金是从普通铸造工艺和定向凝固工艺发展起来的,相关的研究工作可以追溯到20世纪60年代末。一九六八年,Gell与Leveran对Mar-M200单晶与定向凝固柱状晶的组织与性能进行了比较,发现其中一种取向的Mar-M200单晶的蠕变,且具有较好的蠕变性能。横向强度和延性得到改善。同时发现,在一定条件下添加合金元素铪可部分解决定向凝固组织横向性能差的问题。单晶合金的制备成功率低、成本高,使单晶合金的研究工作停滞不前。J.J.杰克森等,1975年。对Mar-M200+Hf合金进行了研究,发现在980℃的定向凝固合金中,其耐久性与微小(≤0.5μm)γ'相的数量有很大的关系,而增加微细γ'的量至关重要。VerSny-der和Gell在1976年对碳、硼、锆硅晶界进行了强化,Mar-M200单晶合金的组织和性能进行了研究。就是从这两个方面来看,盖尔等人在1980年提出并实践了一种新型单晶合金发展原则:脱去碳硼、锆、铪等能降低合金初熔点的元素,为了提高固溶温度,尽量增加难熔元素钽的含量,成功地研制出比定向合金PWA1422高20~50℃的单晶合金PWA-1480。自此,单晶高温合金的研究有了新的突破。

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单晶合金

然后英国.美国.法国.俄罗斯.日本等国家加大对单晶合金的研究力度,相继出现了性能达到PWA-1480的单晶合金,美国CMSX-2.CMSX-3.NASAIR100.ReneN4,英国SRR99.RR2060.RR200,这两种合金分别是法国的MXON、日本的TMS-1以及我国的DD3。有学者发现,用金属铼替代其它难熔金属,如钼、钨等,可明显提高单晶合金的蠕变强度,进一步研究发现:利用Mar-M200制备的一种单晶合金中,使用了取代钨,它明显降低了γ'相的粗化速度,并使其产生负γ/γ'错配。在CMSX-2和PWA1480合金中加入铼,原子探针显示γ相基体中有铼的原子团,这种强化方法比一般固溶强化更为有效。在PWA1484.ReneN5等处,含3%铼的单晶合金被称为第二代单晶高温合金,使其耐温性提高30℃;为进一步提高单晶叶片的耐温性,将铼含量提高到6%,称为第三代单晶高温合金,以CMSX-10.ReneN6为代表。图1-4显示了添加铼对单晶和定向合金耐高温性能的改善。

飞机发动机的发展历史,可以简单地形容为不断提高发动机的推力和涡轮前入口温度。内燃机工作温度每提高5℃,功率增加1.3%,热效率0.4%。在1950年代,JT3D发动机的推力是7450kg,涡轮前进口温度是889℃,1970年代F100发动机的推力是11340kg,涡轮前进口温度是1310℃。而且,20世纪80年代某些具有特色的涡轮前进口温度已经达到1430℃。用第三代单晶合金作为叶片材料的F119发动机,推重比为10,具有1677℃的涡轮入口温度。航空发动机叶片材料第一代、二、三代单晶高温合金的出现,使其耐高温性能比柱晶合金提高90℃。高性能单晶合金,先进的气冷叶设计,精良的精铸技术和良好的保护涂层与工艺的结合,使得航空发动机的涡轮入口温度大大提高。单晶合金被广泛应用于几乎所有先进的航空发动机,见表1-4。

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