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。     

航空发动机缺陷叶片激光熔覆修复参数确定

镍基高温合金被广泛应用于航空发动机叶片的铸造中,其所具有的高耐温性、高耐腐蚀性使得由镍基高温合金所铸造的航空发动机叶片的使用寿命和使用质量大幅提高。航空发动机叶片在工作时会受到热流、离子流以及空气中尘埃的高速冲击,从而导致其工作环境极为恶劣,为提高航空发动机叶片的使用寿命,在航空发动机所使用的镍基高温合金中加入了多种合金元素。在航空发动机叶片的铸造过程中受航空发动机叶片结构、形状复杂度的影响以及高精度的铸造要求从而使得航空发动机叶片的精铸成品率极低,约有50%的航空发动机铸造叶片会出现缩孔、缩松等的缺陷。为提高航空发动机铸造叶片的成品率可以有条件的对航空发动机铸造叶片中的缺陷件进行修复。本文在对航空发动机铸造叶片缺陷进行分析的基础上对如何通过使用激光熔覆技术对航空发动机铸造叶片的缺陷进行修复进行分析介绍。     

激光增材制造单晶高温合金研究进展

镍基单晶高温合金具有良好的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能、抗蠕变性能和组织稳定性,被广泛应用于制造航空发动机和燃气轮机叶片。由于其工作条件复杂恶劣,采用有效手段修复单晶叶片可以大大提高其使用寿命。综述了激光增材制造技术制备单晶高温合金的研究现状,介绍了激光增材制造技术制备单晶合金的理论基础,以及控制其单晶凝固组织的困难和不足,着重综述了激光增材制造技术控制单晶高温合金凝固制造的方法,主要包括通过激光参数调控温度梯度及凝固速率,以及通过基体晶体取向控制晶粒外延生长。最后,展望了该领域未来的主要研究方向和发展前景。     

铸造高温合金单晶叶片晶粒度选择器模料的研制

1.前言 随着航空发动机性能的不断提高,对航空涡轮发动机部件(包括涡轮盘、涡轮叶片)工作寿命的要求也在提高。国外研制了柱状晶材料、单晶材料、共晶复合材料等,并且进行了柱状晶、单晶叶片生产方法的研究工作。采用单晶涡轮叶片可以延长发动机的使用寿命和降低燃油消耗率。单晶涡轮叶片的制造方法在欧美和苏联已经用于工业生产。 我们从1981年开始研制铸造镍基高温合金     

不同元素对镍基合金铸态组织的影响

镍基单晶高温合金是一种应用于航空发动机涡轮叶片的重要合金,镍基单晶高温合金能够在航空发动机涡轮叶片工作时的恶劣工况条件下获得良好的使用性能。镍基单晶高温合金的性能与镍基单晶高温合金的凝固组织有着密切的联系,为获取更好的使用性能需要了解不同元素对镍基单晶高温合金铸态组织的影响,并以此为基础开发出性能更好的镍基单晶高温合金用,以提高航空发动机的性能。     

镍基高温合金粉末制备技术的发展现状

粉末高温合金是先进航空发动机关键热端部件的优选材料,先进的粉末制备技术是获得高品质高温合金粉末、保证合金件质量的关键技术。近年来,我国在粉末高温合金的研发和生产技术方面都取得了突破性进展,成功研发出新一代粉末高温合金,形成了成熟的粉末高温合金生产工艺。在粉末制备技术方面,通过对高纯净母合金熔炼技术、先进雾化制粉技术和电选分离技术的深入研究,进一步发展了粉末纯净化制备技术,满足了我国航空发动机领域对粉末高温合金关键零部件的需求。简要回顾了国内外粉末高温合金的发展历程,分析了粉末高温合金中的缺陷来源及其对合金性能的影响,概述了我国镍基高温合金粉末制备技术的发展情况,讨论了未来高温合金粉末及其关键制备技术的发展方向。     

热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用研究

镍基铸造高温合金是航空发动机与燃气轮机生产制造过程中应用的主要材料之一,在航空航天、能源工业、船舶舰艇等领域有着广泛的应用。现代航空工业的飞速发展离不开高温合金综合性能的快速提升,而热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用对镍基铸造高温合金综合性能的改进方面发挥了举足轻重的作用。本文介绍了热等静压技术的工作原理与应用发展历史,总结了热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的研究应用现状,重点阐述了热等静压技术对铸造高温合金的致密化作用机理与组织性能影响、热等静压对长期服役镍基铸造高温合金组织修复研究以及实现两种镍基高温合金扩散连接的应用优势与研究成果。同时指出热等静压技术研究中存在的一些问题及国内热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的发展趋势。     

粉末高温合金研究进展

粉末高温合金是制造高性能航空发动机涡轮盘等转动部件的关键材料.针对国外粉末高温合金的研究历史和现状,结合粉末高温合金的制备工艺流程,重点介绍了美国和俄罗斯粉末高温合金的发展现状,对比分析了不同粉末制备工艺、粉末固结工艺、盘件成形工艺的特点,总结了粉末高温合金中存在缺陷的原因及控制方法.针对我国粉末高温合金的研究历史和现状,总结了国内粉末高温领域所取得的进展.对国内外粉末高温合金在航空发动机上的应用进行了总结.对超纯净度细粉制备、直接热等静压近终成形、双性能粉末涡轮盘制备工艺等高性能粉末高温合金的关键技术及发展方向进行了展望.针对国内对粉末高温合金的需求现状,指出了国内粉末高温合金研制和生产过程中存在的问题并给出了相应的解决思路.     

镍基单晶高温合金凝固组织特征的研究进展

镍基单晶高温合金的凝固组织对其最终的高温力学性能有着重要的影响,由于制造工艺条件限制,单晶高温合金的制备和加工中总会出现杂晶,保持单晶结构的完整性对提高单晶合金的冶金质量和降低维护成本具有重要意义.综述了镍基单晶高温合金在铸造、焊接、表面熔凝工艺条件下的凝固组织特征的研究现状,分析了工艺条件、工艺参数等对凝固组织和性能的影响,并展望了杂晶缺陷的控制、实现单晶叶片连接区的单晶化.     

863计划“先进粉末高温合金的研制及制备技术”项目课题通过技术验收

正日前,"十二五"863计划新材料领域"先进粉末高温合金的研制及制备技术"课题通过技术验收。该课题由北京航空材料研究院承担,针对先进航空发动机涡轮盘高温、高强、长寿命、低成本和高可靠性的要求,以及汽车发动机增压涡轮高性能、低成本的需求,开发出新一代粉末高温合金。课题突破了氩气雾化高温合金细粉、氧含量、球形度和非金属夹杂物控制等关键技术,成功制备出低氧纯净细颗粒的高温合金粉末,满足了粉末涡轮盘和增压涡轮研制需要,为我国粉末高温合金涡轮盘的研制和低成本制备汽车增压涡轮提供了有力保证。     

工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展

工业燃气轮机具有热效率高、污染低等突出优点,成为未来发电机组与大型水面舰船动力的首选设备。铸造高温合金是工业燃气轮机涡轮叶片等热端部件的关键材料,其性能和制备水平在一定程度上决定了先进燃气轮机的功率、效率、寿命等性能。本文重点综述了工业燃气轮机及其涡轮叶片用铸造高温合金材料的研究及应用现状,并对工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金及涡轮叶片制造技术的发展趋势进行了展望。未来,先进定向凝固,“材料基因工程”等技术将逐渐应用到工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金的研制中;此外,先进工业燃气轮机上定向/单晶高温合金的应用将越来越广泛。     

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。     

Numerical Simulation of Solidification Process on Single Crystal Ni-Based Superalloy Investment Castings

Bridgman directional solidification of investment castings is a key technology for the production of reliable and highly efficient gas turbine blades. In this paper, a mathematical model for three-dimensional （3D） simulation of solidification process of single crystal investment castings was developed based on basic heat transfer equations. Complex heat radiation among the multiple blade castings and the furnace wall was considered in the model. Temperature distribution and temperature gradient in superalloy investment castings of single blade and multiple ones were investigated, respectively. The calculated cooling curves were compared with the experimental results and agreed well with the latter. It is indicated that the unsymmetrical temperature distribution and curved liquid-solid interface caused by the circle distribution of multiple turbine blades are probably main reasons why the stray grain and other casting defects occur in the turbine blade.     

Computer-aided characterization of solification processes

The directional solidification process is used to make columnar grained and single crystal turbine blades for the hot section of advanced gas turbine engines. These blades are fabricated using a family of alloys known as the superalloys. The microstructural features of these alloys are dependent upon the thermal characteristics of the solidification process. In this article it will be shown how an improved understanding of such processing has been achieved using computer simulation and advanced graphics techniques. This has led to new insight into cause and effect relative to grain quality and microstructural details concerning dendritic features. Improved processing methods have evolved based on the application of scientific methodology to what has traditionally been the art of casting.     

晶界对信号传输影响的研究及小直径金属线材单晶化技术

晶界对传输信号影响规律的研究表明,晶界的电阻率大于晶界两侧晶粒的电阻率是晶界影响传输信号的本质,晶界的三元特性-电阻、电容以及电感特性是晶界对传输信号影响的具体表现形式.提出了金属线材的单晶化技术可将直径较粗的多晶金属线材直接拉制成无限长、直径较细的单晶金属线材.此外,对单晶连铸技术凝固组织的演化进行了初步的模拟,根据模拟结果,探讨和分析了工艺参数对单晶化过程中凝固组织演化的影响规律.     

Process modelling of grain selection during the solidification of single crystal superalloy castings

A process model is described for the grain selection occurring during the solidification of single crystal investment castings, which are now used widely for a number of critical applications in gas turbine engines. The basis of the model is a thermal analysis of the heat transfer in the vicinity of the chill region onto which the molten metal is poured. Subsequently the competitive growth of grains during directional solidification is simulated via a cellular-automaton technique. For the purpose of model validation, processing trials have been carried out on a commercial single crystal casting furnace. The thermal cycles set up in and around the vicinity of the grain selector have been measured, and these are used to choose a number of critical parameters in the thermal model. The evolution of grain structure during competitive growth has been characterised using a number of analytical techniques, including orientation imaging microscopy. The results are compared critically with the predictions from the model. It is shown that the model is able to reproduce the statistical distribution describing the final casting orientation, measured with respect to the 001 crystallographic pole. The model is used to study the geometrical factors influencing competitive growth and the efficacy of two designs of grain selector, and in particular the conferral of any control of the secondary 001 orientation.     

Developments of cast superalloys and technology for gas turbine blades in BIAM

Since 1960's many important subjects relating to cast turbine blades including alloy developments, directional solidification (DS) and single crystal (SC) technique and casting technology for blades have been performed with great successes in Beijing Institute of Aeronautical Materials (BIAM) in order to meet the requirements for developing new aero-engines in China.Abbreviations CC conventional cast - DS directional solidification - FC fine grain cast - SC single crystal     

铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展

面向市场经济,迎接全球化竞争的挑战,为国民经济的发展作贡献,就要十分重视制造业特别是铸造行业的发展。但是,我国铸造行业与国外相比有很大差距,它制约着国民经济的发展。世界各国在铸造成形加工技术的发展趋势方面,认识是一致的,即：一是大型工程中特大型铸件的关键铸造技术;二是向精确成形技术方向发展;三是用计算机模拟仿真逐步代替传统的经验性研究方法。铸造过程计算机模拟仿真是改造传统铸造产业的必由之路,是当今世界各国专家学关注的热点。铸造充型凝固过程的数值模拟可以帮助工程技术人员优化工艺设计,缩短试制周期、降低生产成本、确保铸件质量,已成为铸造领域最热门的研究课题之一。目前,凝固过程的流场、温度场数值模拟及缩孔缩松预测已应用于实际生产,应力分析、微观组织模拟等方面的基础研究及实用化进程都取得了很大进展。     

Research on vacuum-electromagnetic casting of IN100 superalloy ingots

In order to improve the inner quality of superalloy master alloy ingots, the new technology of superalloy vacuum-electromagnetic casting, i.e. applying electromagnetic stirring (EMS) to the solidification process of superalloy vacuum casting was developed. The effect of EMS on the inner quality of IN100 superalloy ingots was studied with EPMA and optical microscope. The results show that while an EMS with 50 Hz frequency and 60 A current is imposed, the equiax crystals of IN100 superalloy ingots can be effectively refined and increased, and the central shrinkage porosity and the dendritic segregation of IN100 superalloy ingots are greatly reduced, so the inner quality of IN100 superalloy ingots is obviously improved.     

电磁搅拌作用下CoCrMo合金熔模铸件凝固细晶研究

目的 研究电磁搅拌对CoCrMo合金熔模铸件晶粒尺寸的影响,解决熔模铸造CoCrMo合金铸件晶粒粗大的问题。方法 将CoCrMo合金熔化后,在其凝固过程中分别施加不同工艺参数的电磁搅拌,并对其凝固后的组织进行表征分析。同时,采用有限元法对电磁搅拌在金属熔体中的电磁场和流场进行数值模拟。结果 在不同的电磁搅拌参数下,CoCrMo合金铸件凝固组织出现了不同程度的细晶效果,浇道处的细晶效果优于铸件试棒处的。铸件试棒处的晶粒尺寸最小能控制在1 mm以下,等轴晶率最高能提升至31%。数值模拟结果表明,在电磁搅拌过程中,铸件试棒的磁场、电流和洛伦兹力都呈周期性变化,铸件试棒内部的流速随搅拌时间的延长而增大,最后趋于稳定。结论 电磁搅拌对CoCrMo合金的凝固组织产生了明显的细化效果,促进了柱状晶向等轴晶转变。电磁搅拌的时间越长,铸件凝固组织的细化效果越好,铸件厚大部位的细晶效果越显著。结合实验结果和数值模拟结果发现,在电磁搅拌过程中,熔体流动引发枝晶断裂是晶粒细化的主要原因,而电磁场促进异质形核为次要原因。