单晶高温合金雀斑研究进展

为满足先进航空发动机发展需求,航空发动机涡轮叶片的结构日趋复杂,并且作为涡轮叶片首选材料的单晶高温合金中高熔点合金元素含量不断增加,由此导致单晶高温合金涡轮叶片制备过程中结晶缺陷形成倾向增大,直接影响单晶涡轮叶片的质量.本文以单晶高温合金定向凝固过程中出现的一种晶体缺陷——雀斑为讨论对象,综述了近年来雀斑形成机制、判据模型及其控制方法相关研究工作,分析了合金成分、叶片结构、定向凝固工艺和结晶取向对雀斑形成机制的影响,指出考虑不同合金体系中的合金元素与定向凝固过程的参数对雀斑形成的影响,进一步研究复杂结构单晶涡轮叶片雀斑形成规律,建立雀斑预测与控制的有效方法是未来的研究方向.     

УВНК—8П半连续式真空定向结晶装置

本文介绍前苏联燃气涡轮发动机叶片高速定向结晶工艺和为此工艺专门创制的УВНК-8П装置。该装置为一复杂机能的综合体,设有真空、水冷及在一系列点上自动控制真空和温度的系统,可用于制造具有柱状单晶组织的叶片,其结晶速度为10～20mm/min,而一般定向结晶工艺的结晶速度为2～4mm/min。     

重型燃气轮机定向结晶叶片的材料与制造工艺

重型燃气轮机是我国能源发展战略中的关键装备. 在高温和热腐蚀环境下工作的透平叶片,是重型燃机的核心热端部件.与航空发动机叶片比较,先进重型燃气轮机透平叶片,在高温热腐蚀环境下长期工作,而且叶片的尺寸较大,因此,对叶片使用的高温合金材料及其制造工艺均提出了特殊的要求.用于燃气轮机叶片的抗热腐蚀高温合金材料,经历了从多晶到定向和单晶的发展历程,其合金在设计中具有高Cr,高Ti,Al比等几个显著区别于航空发动机叶片材料的特征.兼顾高强度、优异抗热腐蚀性能及长期组织和性能稳定性的燃气轮机用铸造高温合金的研发,因此更具挑战.定向凝固是重型燃气轮机用大型定向结晶叶片制造工艺中最为关键的技术之一.介绍了先进定向凝固技术——高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术的发展,对比了不同定向凝固工艺对高温合金典型组织及力学性能的影响,并简单介绍了我国近期在大型定向结晶叶片研制方面的进展.     

单晶取向及其分布两种测定方法的对比

单晶取向的判断是单晶生长和加工过程中的重要环节，比较研究了摇摆曲线法和旋转定向法两种测定方法在判断单晶取向性问题中的优缺点。结果表明：对于生长较好的单晶材料，摇摆曲线法定义材料结晶质量的准确性较高；而旋转定向法能很好地解决取向性材料晶面间距相同的重叠峰的分离问题。     

定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展

北京航空材料研究所对定向凝固及单晶高温合金及工艺进行了多年卓有成效的研究,建立了先进的定向凝固设备,发展了定向凝固工艺,研制了一系列高性能定向和单晶高温合金;对合金设计、热处理、合金元素的作用进行了分析研究,为确定合适的化学成分及选定最佳工艺参数提供了可靠的基础;进行了精密铸造工艺的研究,发展了无余量铸造技术和用于定向及单晶的陶瓷型壳和型芯,并用此发展了多种航空定向和单晶叶片,特别是研制和批生产了用于先进航空发动机的DZ22无余量具有复杂内冷通道的空心涡轮叶片。现在,其主要目标是研制无余量的单晶空心叶片及其他单晶课题。     

CMSX-3单晶合金的微观组织研究

镍基单晶高温合金是重要的航空燃气轮机涡轮叶片材料。本文利用光学金相、SEMTEM等分析手段研究了采用定向凝固造晶法制造的CMSX－3单晶合金的微观组织。对其铸态组织与γ＇形态做了描述与分析。     

约束性凝固参数对DZ38G合金定向结晶叶片组织和性能的影响

本文在生产条件下,研究了不同约束性凝固参数对 DZ38G 合金定向结晶叶片的组织和力学性能影响。结果表明:在4mm/min 的抽拉速度下,可以获得柱晶平直,发散度小的定向结晶叶片。型壳和浇注温度过高会导致合金中 Cr 元素损耗率的增加,叶片显微疏松增多,组织粗大,合金力学性能降低。型壳温度在1500—1550℃,浇注温度为1500—1540℃时,可以获得满意的组织和较高的力学性能,所铸定向结晶叶片已通过台架长期试车的考验。     

第二代单晶高温合金空心涡轮叶片凝固过程数值模拟研究

为优化单晶空心涡轮叶片制造工艺及降低制造成本 ,采用 90年代ProCAST大型软件包对单晶空心涡轮叶片的凝固过程进行数值模拟 .建立了空心叶片模拟系统的实体模型 ,对其进行四面体网格剖分 ;计算并测试了单晶高温合金空心叶片定向凝固过程温度场 ,进行了单晶空心叶片定向凝固过程工艺优化 .结果表明 :计算结果和测试结果吻合良好 ,在大于 1 2 0 0℃时误差小于 2 % ;通过分析单晶高温合金空心涡轮叶片的凝固过程 ,对单晶空心叶片定向凝固过程工艺优化 ,获得良好的效果 .     

国外定向和单晶空心叶片用型芯的工艺特点EI

本文对国外空心叶片用陶瓷型芯发展现状作一评述，着重介绍用于定向和单晶空心叶片生产的氧化铝型芯材料和工艺特点。     

单晶高温合金的发展及其改善性能的途径

一、前言 在过去二十几年中,高温合金材料发展的重要标志之一是定向柱晶和定向单晶技术的发展,高温合金从成分、制造工艺并重发展的阶段进入了制造技术占优的发展阶段,合金的性能大幅度提高。70年代初期,P＆WA公司首先将定向柱晶技术应用于JT9D-7发动机,80年代初在JT9D-7R4发动机上开始应用单晶叶片,目前在美国、欧州等国已有数十种军用和民用飞机使用单晶叶片或单晶高温零件。因此可以说90年代单晶高温合金是航空发动机高温部件的主要材料,同时,在地面和海洋燃气机中,也将越来越广泛地采用单晶高温合金。 在单晶高温合金研究中,透平叶片是关键的高温承载零件,因此是研究较多的课题。透平叶片工作环境极其恶劣,同时承受高温、高应力、高冲击力;对于先进的航机,透平进口燃气温度可达1400℃以上,并且随着大推力、高效率、寿命长的透平发动机的发展,透平进口燃气温度还将不断提高,因此提高叶片材料的耐温能力和高温下的承载能力具有非常重要的意义。     

DD6单晶高温合金振动疲劳性能及断裂机理

研究[001]取向的DD6单晶高温合金的室温振动疲劳S-N曲线,并获得了其室温振动疲劳极限。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、背散射衍射等手段对DD6单晶高温合金振动疲劳断裂机制进行分析。结果表明:采用S-N法估算得到的[001]取向的DD6单晶高温合金室温振动疲劳极限约为337.5MPa。振动疲劳裂纹断口呈现单个或多个沿{111}晶体学扩展平面组成的形貌特征,断口上分为疲劳源区和疲劳扩展区两个阶段,裂纹在应力最大截面处的表面或内部缺陷处萌生,呈单源特征,疲劳扩展区呈现类解理断裂特征,未出现典型的疲劳条带特征。说明沿{111}晶面滑移是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要变形机制,断口上的类解理扩展平面以及微观上类解理花样是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要特征。     

单晶高温合金表面缺陷焊接修复的研究进展

单晶高温合金的性能优异,但是制造成本昂贵,因此其表面缺陷的焊接修复一直是单晶高温合金领域的重要研究课题。本文全面阐述了各类焊接修复(包括熔焊、钎焊和瞬时液相扩散焊)方法对修复区的组织和修复后力学性能的影响,分析了各类焊接修复方法的局限性和存在的问题,并指出了单晶高温合金表面缺陷焊接修复的发展方向。     

Effects of Rhenium on Creep Rupture Life of a Single Crystal Superalloys

1.Intr0ductionSince1980'stheturbinebladefabrication0fsinglecrystalsuperall0yshasbeenone0fthesignificantkeytechnol0giesofaeroengine.Atpresentsinglecrystalsuperalloysarebeingusedtofabricatethebladesofaeroengineswithpushweightrati01O,suchasaer0-engineFll9(U.S.A.),Fl2O(U.S.A.),GE90(U.S.A.),EJ200(England,Germany,ItalyandSpain),M88-2(France)andP2000(Russia).Thesinglecrystalsuperalloysofthefirstgenerati0n,secondgenerati0nalldthirdgenerationhavebeenstudiedandappliedt0thebladesandvanesofaeroe…     

高温镍基单晶合金NiCoCrAlYTa涂层的抗热腐蚀性能

以往,对高温镍基单晶合金上采用低压等离子喷涂制备的NiCoCrAlYTa涂层的热腐蚀性能研究较少.为此,采用低压等离子方法在镍基高温单晶合金上制备了NiCoCrAlYTa涂层,采用涂盐法研究了Na2SO4对试样在1 123 K空气中热腐蚀的影响,同时分析了NiCoCrAlYTa涂层的形貌及结构.结果表明:高温镍基单晶合金遭受了严重的热腐蚀,出现了内硫化和内氧化;NiCoCrAlYTa涂层由于表面生成了致密、保护性的Al2O3膜,以及涂层中Cr和Ta元素的作用而表现出优异的抗热腐蚀性能.结果证实,NiCoCrAlYTa涂层可以很好地提高单晶合金的抗热腐蚀性能.     

钌和铼对先进单晶高温合金组织稳定性的协同影响

为研究高代单晶高温合金组织稳定性影响机制,制备含6%(质量分数,下同)Ru和4.5%Ru的两种单晶高温合金D1和D2,经完全热处理后在980℃下长期时效1000 h。观察不同尺度上的显微组织及合金元素分布,并结合热力学计算进行分析。结果表明:两种合金经完全热处理后仍有较高含量的高熔点合金元素偏析于枝晶干中,使枝晶干区域长期时效后均有较多TCP相析出;两种合金中,Ru和Re均为TCP相主要形成元素,Ru含量较高的D1合金中TCP相析出量多于Ru含量较低的D2合金;Ru和Re含量增加会使合金平均d轨道电子能级增大,增加合金TCP相析出倾向,但由于Ru可以降低Re在γ相中偏析程度,因此Ru含量增加又可以减少Re对合金组织稳定性的不良影响;在本研究中,Ru对TCP相析出的促进更为显著,因此,在980℃下长期时效1000 h后D1合金较D2合金析出更多TCP相。     

DD8单晶镍基高温合金热处理制度研究

研究了热处理工艺对ＤＤ８单晶高温合金组织及性能的影响，结果表明，经过１１００℃／８ｈＡ．Ｃ．＋１２４０℃／４ｈＡ．Ｃ．＋１０９０℃／２ｈＡ．Ｃ．＋８５０℃／２４ｈＡ．Ｃ的４级处理明显改善了ＤＤ８单晶合金元素的枝晶偏析，合金中γ相获最佳含量并形成适当尺寸配合，合金获得理想的综合性能。     

数值模拟在单晶高温合金熔模铸造中的应用

由于单晶高温合金消除了晶界这一高温薄弱结构,已成为航空发动机首选的热端部件材料。为了满足航空发动机对推重比和涡轮燃气温度的更高需求,新型单晶高温合金中添加了越来越多的Re、Ru等难熔元素,致使单晶制备过程中缺陷形成倾向显著提高,研制周期和研制成本明显增加,严重限制了单晶高温合金的产业化应用。近年来,随着计算方法和熔模铸造技术的发展,数值模拟在单晶高温合金制备领域中得到了越来越广泛的应用,已成为减少单晶铸造缺陷,获得高质量单晶铸件的重要手段。以商用铸造模拟软件Procast为例,对单晶高温合金定向凝固过程的温度场分布和组织演化进行了分析,综述了数值模拟在单晶熔模铸造研究中的应用现状。首先,介绍了数值模拟中的前处理过程,即几何建模、网格划分等,强调了前处理过程的注意事项。随后,根据已有文献,分析了数值模拟技术在研究温度场和晶粒组织演化过程的作用。最后,指出数值模拟技术在单晶高温合金熔模铸造领域进一步发展需要解决的问题。     

Columnar to equiaxed transition in solidification processing

The columnar to equiaxed transition (CET) is a microstructural transition that has to be controlled during certain solidification processes. CET models and microstructure selection maps, based on nucleation and dendritic growth models, are briefly described. Processing maps can be established by combining a CET model with numerical calculations of local solidification conditions. Such processing maps are helpful for the control of the solidification microstructure. As examples, two processes are discussed: the epitaxial laser metal forming (E-LMF) process where a single crystalline superalloy part is repaired in single crystal form and equiaxed grains have to be avoided; and the arc welding of aluminium alloys where equiaxed grains are the preferred solidification structure.     

Columnar to equiaxed transition in solidification processing

The columnar to equiaxed transition (CET) is a microstructural transition that has to be controlled during certain solidification processes. CET models and microstructure selection maps, based on nucleation and dendritic growth models, are briefly described. Processing maps can be established by combining a CET model with numerical calculations of local solidification conditions. Such processing maps are helpful for the control of the solidification microstructure. As examples, two processes are discussed: the epitaxial laser metal forming (E-LMF) process where a single crystalline superalloy part is repaired in single crystal form and equiaxed grains have to be avoided; and the arc welding of aluminium alloys where equiaxed grains are the preferred solidification structure.     

Measurements of γ/γ' Lattice Misfit and γ' Volume Fraction for a Ru-containing Nickel-based Single Crystal Superalloy

A conventional X-ray diffractometer has been used to determine the γ/γ lattice misfit and γ volume fraction for a Ru-containing nickel-based single crystal superalloy at room temperature.The rocking curve was used to characterize the distribution of subgrains.The diffraction peaks obtained by ω-2θ scan were used to determine the γ/γ lattice misfit and γ volume fraction.A three peaks fitting model was proposed.The peak fitting results are in good agreement with the model.The X-ray diffraction results indicate that the nickel-based single crystal superalloy was not a perfect monocrystalline material,which is comprised of many subgrains;and each subgrain also consists of large numbers of mosaic structures.In addition,two anomalous reflection phenomena were found during the experiment and discussed with respect to their occurrence and impact on the measurement.The experimental results show that the γ/γ lattice misfit and γ volume fraction will be various at the different regions of its dendritic microstructure.The average γ/γ lattice misfit and γ volume fraction of the experimental alloy are approximately-0.2% and 70%,respectively.Furthermore,the γ volume fraction calculated by atom microprobe(AP) data is also basically consistent with the experimental results.