镍基单晶高温合金力学性能各向异性的研究进展

镍基单晶高温合金凭借优良的高温力学性能和组织稳定性而成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料,其力学性能各向异性对涡轮叶片的服役性能和安全可靠性至关重要,受到叶片设计师和制造专家的高度重视。为了满足更严苛的使用要求,国内外都在不断研发新型的镍基单晶高温合金来提升叶片承温能力,但是对新型合金力学性能各向异性的研究还不是很全面,对新添加元素的作用机理也有待进一步的研究。近些年来,国内外相关研究表明,镍基单晶高温合金力学性能各向异性与温度、应力等因素有关,不同的单晶合金表现出不同的规律。镍基单晶高温合金的拉伸性能具有明显的各向异性,随着温度的升高,其原子扩散能力增强,开动滑移系的数量增多,拉伸性能的各向异性减弱。随着合金成分中难熔元素含量的增加,滑移系的位错交截概率或变形协调性发生变化,合金表现出不同的拉伸性能各向异性。在中温高应力条件下,合金蠕变性能存在显著的各向异性。随着应力的升高,[001]取向的蠕变性能显著降低,[111]取向变化较小,这与应力变化对滑移系数量的影响有关。随着难熔元素含量的增加,合金不同取向滑移系的开动和层错的形成更容易,从而影响蠕变性能的各向异性。在高温低...     

单晶涡轮叶片的晶体取向自动检验法

采用单晶涡轮叶片(如JT9D 7R4型发动机的PWA1480叶片)可使发动机进口温度高达1430℃。其使用寿命比柱状晶涡轮叶片延长2.5～3倍,减少了发动机的返修次数,显著地降低了维修费用。为这类叶片进行晶体取向的检验工作,美国普拉特·惠特尼公司选用了一台晶体取向测定用的X射线衍射自动化装置。这台设备是用通用电气公司所产XRD-7型X射     

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.     

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 .     

镍基单晶高温合金晶体取向的选择及其控制

镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料,该合金具有<001>的择优取向。回顾了镍基单晶高温合金晶体取向与单晶铸件高温力学性能的关系,不同取向单晶的高温拉伸性能、抗蠕变、低周疲劳等性能均明显不同。<001>方向具有较高的综合力学性能。结合作者在本领域的研究,发现不同取向的枝晶生长规律不同,<011>取向的枝晶在纵截面上枝晶干呈"V"或"W"形状,横截面上枝晶干呈直线排列,同时不同取向的枝晶间距和溶质元素偏析程度不同。总结了选晶过程中引晶段和螺旋段在单晶制备中的作用,晶体取向决定于引晶段的选晶效果,螺旋段的主要作用为确保获得单一的晶粒;分析了籽晶法单晶制备过程中晶体取向对晶体生长的影响及造成取向偏离的一些因素。展望了镍基单晶高温合金晶体取向的研究发展方向。     

单晶高温合金晶体取向的研究进展

单晶高温合金晶体取向与轴向的偏离已成为单晶叶片的一个重要缺陷.简述了单晶生长过程中在不同界面形态下择优取向的转变规律,以及取向对枝晶形貌和尺度的作用;分析了不同取向晶粒的竞争机制,并展望了晶体取向今后研究发展方向;指出了温度梯度、界面形状、熔体等是影响单晶高温合金晶体择优取向的重要因素.     

FCC晶体中孔洞长大行为的研究

为了揭示孔洞在FCC晶体中的长大规律,研究了含圆柱形孔洞的铝单晶试样在平面应变压缩条件下的变形情况,采用EBSD(Electron Backscatter Diffraction)对孔洞周围的不均匀变形以及晶体取向变化进行分析,并通过编制率相关有限元用户子程序,采用晶体有限元模拟了含圆柱形孔洞的铝单晶试样在平面应变压缩条件下的变形。实验结果与模拟结果的对比表明:晶体取向对孔洞的长大行为影响较大;率相关晶体有限元能很好地预测孔洞周围晶体取向的变化,该方法可较好地模拟FCC晶体中孔洞的长大行为,为研究FCC晶体中孔洞的演化以及断裂行为提供了一种有效的分析方法。     

某型发动机风扇叶片振动应力监控方法

在某型发动机风扇工作叶片高低周复合疲劳试验中,为了对叶片考核部位的应力进行有效监测和控制,对叶片夹具系统进行瞬态分析,并结合应力标定中的测试数据,得到考核部位振动应力与系统监测点振幅的关系,将不可测量的应力转化为可测量的振幅,从而可以通过对叶片振幅的调控实现对考核部位应力的有效监测和控制。结果表明:系统监测点的振动幅值与激振点实际加载的振动信号幅值满足线性关系;当系统监测点的振幅趋于稳定后,叶片考核部位的应力也趋于稳定,且两者满足线性关系。     

DD6单晶合金蠕变特性及断裂机理

在500MPa、900℃和300MPa、1000℃两种环境条件下,通过实验研究了[001]、[011]、[111]三种取向的镍基单晶合金DD6的蠕变特性及断裂机理。结果表明:DD6单晶高温合金蠕变性能具有明显的晶体取向相关性,在相同的温度和应力条件下,三种取向的单晶合金寿命差别很大,温度是影响[001]取向单晶合金蠕变寿命的主要因素,而应力则是影响[011]和[111]取向单晶合金蠕变寿命的主要原因。同时,晶体取向和实验条件的不同,都会使最小蠕变率发生变化,随着温度的升高,不同取向晶体的各向异性减弱,相同条件下,[111]取向最大蠕变量最大,[001]取向次之,[011]取向最小。而晶体取向对断裂机理有直接的影响,[001]、[111]取向DD6单晶合金的断裂是由微孔引起的断裂,[011]取向的DD6单晶合金在900℃、500MPa条件下的蠕变断裂为滑移断裂,1000℃、300MPa条件下的断裂为滑移面断裂和韧窝断裂二者兼有的混合型断裂。     

籽晶法制备高温合金单晶叶片的研究进展

定向凝固技术制备高温合金单晶叶片主要采用选晶法和籽晶法,目前工业生产中仍以选晶法为主,但籽晶法在取向方面的精确控制是选晶法无法企及的,而且随着高温合金单晶叶片服役环境日趋苛刻,单晶叶片的三维取向控制成为工业生产中面临的主要问题之一,因此籽晶法的研究和发展不容忽视。籽晶法制备高温合金单晶铸件过程中,杂晶缺陷是制约其在工业生产中广泛应用的主因之一,直接影响单晶叶片的合格率,严重影响合金的力学性能。因此,目前关于籽晶法的研究主要集中在籽晶的获取和利用、杂晶的形成机理及控制等方面。本文主要介绍了籽晶法制备高温合金单晶叶片的基本原理,综述了籽晶回熔区杂晶的形成机制、影响因素及控制措施,在此基础上,总结和展望了籽晶法制备高温合金单晶叶片仍存在的一些问题及发展趋势。     

多级退火制备单晶纯钛及其压缩力学性能测试

利用多级退火热处理方法使多晶高纯钛材的晶粒尺寸长大至12 mm,这主要得益于第一阶段860℃长时保温,使原始α相组织中的晶粒长大至极限尺寸,以降低组织中的晶界总面积。此外,控制温度以0.1℃/min的速度缓慢通过相变点抑制了α相和β相转变过程中的晶粒形核。对单晶长方体样品进行电子背散射衍射(EBSD)测试后,根据欧拉角度构建了样品中密排六方(HCP)单胞的晶体取向,并以此为基础加工出了具有特定晶体取向的长方体和圆柱形单晶压缩试样,进行准静态力学性能测试和扫描电子显微镜(SEM)观察。研究发现,在变形单晶表面出现1123{1122}型滑移带,并证明影响其开动的主要因素是取向因子值,而且受力方向会显著影响单晶纯钛的力学响应行为。     

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。     

X射线法测量锗单晶的应力

采用Hiroshi Suzuki等人提出的新的单晶应力测量原理,结合不对称布拉格衍射技术,对锗单晶的应力进行了测量。这种方法的优点在于利用多组试验数据求解多元线性回归方程,从而消除了一般单晶应变测定方法中无应变状态下晶面间距不准确对结果所带来的影响。该法可以推广应用于其他单晶体的应力测量和高织构取向材料的X射线应力测量。     

镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的研究进展

镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的出现严重影响叶片的力学性能,导致叶片报废。综述了关于缘板杂晶的形成本质的研究,总结了不同影响因素对缘板杂晶形成的影响及原因并概况了几种不同杂晶的控制方法,指出了以往研究中存在的问题,展望了未来研究的方向。     

镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的研究进展

镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的出现严重影响叶片的力学性能,导致叶片报废.综述了关于缘板杂晶的形成本质的研究,总结了不同影响因素对缘板杂晶形成的影响及原因并概况了几种不同杂晶的控制方法,指出了以往研究中存在的问题,展望了未来研究的方向.     

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     

单晶高温合金高周疲劳行为的研究

一、引言 高温合金涡轮叶片一般需承受复杂的应力,除温度变化引起的热应力以外,还有恒定的离心力和热燃气喷射而产生的高频振动力。而高温高周疲劳实验能够较好地模拟后两种应力。对于单晶高温合金,抗高温高周疲劳能力将大大提高,许多研究表明,高周疲劳裂纹源总是发生在晶体材料的不连续处,包括疏松、夹杂和晶界等,比起普通铸造和定向凝固高温合金,单晶高温合金疏松和夹物很少,且不存在晶界,因此疲劳强度极限明显提高。但单晶高温合金疲劳断裂总是呈脆性的,深入研究它的微观断裂机制是非常必要的。本文对在热腐蚀环境下的涡轮叶片用单晶高温合金经高温高周疲劳实验后的断裂特征和微观机制进行研究。 二、实验过程 研究用单晶高温合金的化学成分为(wt％):Cr15.61,Co8.45,W5.74,Al3.80,Ti3.82,Ta1.16,其余为Ni。用选晶方法拉制成单晶试棒,经下列热处理     

影响单晶Ni基高温合金持久性能的因素

本文研究了一些直接影响单晶 Ni 基高温合金持久强度的因素。原始晶界和由机械加工引起的再结晶对性能的危害极大。在经高温持久试验后的单晶中,往往形成亚结构和微孪晶。单晶合金的[001]方向平行应力轴时,持久性能最佳。当[001]方向与应力轴夹角大于10°时,持久强度大幅度下降。单晶合金中碳化物的含量越多,尺寸越大,对持久性能损害越大。初生γ′和共晶相区是单晶合金中的低强度区域,应通过固溶热处理消除。单晶高温合金经组织结构和晶体取向的一系列优化后,持久强度比普通铸造和定向凝固合金显著提高。     

定向凝固和热等静压技术

美国普拉特·惠特尼公司设计研制了一种复合式(两半分扩散连接)柱状晶或单晶涡轮叶片,目前正在该公司的米德尔城工厂使用全自动铸造设备生产这种先进的叶片。复合式涡轮叶片具有普通精铸叶片设计所达不到的设计灵活性,它有较好的冶金结构和均匀性,少量的冷却空气可以达到有效的内部冷却;这种叶片重量很轻,但能承受高温转速下的大应力,从而获得发动机的高效率。试验表明,复合式柱状晶叶片至少是现有叶片寿命的两倍,而使用单晶材料的涡轮叶片,寿命改进的潜力是现有叶片的四倍,而二级涡轮叶片还可达五倍。 普拉特·惠特尼公司1976年铸出了第一批单晶研制件,1977年用自动设备铸造试验叶片,第一批复合式柱状晶涡轮叶片已用于空军F-15和F-16飞机的动力装置——F100发动机。目前已成功地完成了1500小时的飞行试验。其他试验项目亦于去年按计划进行。 复合式涡轮叶片的生产采用全自动程序控制,用     

镍基单晶高温合金研究进展

单晶高温合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力以及良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、组织稳定性和使用可靠性,广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界,单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素,提高了合金的初熔温度,能够在较高温度范围进行固溶和时效处理,其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金也大幅度提高。经过几十年的发展,单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面,简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。