高温合金单晶介绍.pdf

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高温合金单晶的简介

1简介

高温合金又叫热强合金、耐热合金或超合金(Superalloy),是

20世纪40年代发展起来的一种新型金属材料,最初主要是为满足喷

气发动机对材料的苛刻要求而研制的。高温合金性能在600-1100℃

的氧化和燃气腐蚀条件下,承受复杂应力,长期可靠地工作。

2单晶

几十年来,高温合金的工作温度每年提高8℃左右,比最初使用

的合金工作温度增加了300℃。但是随着航空航天对材料要求的提高,

普通高温合金已不能满足航空航天的需求,高温合金经历了从定向凝

固到单晶的发展过程,并相继发展和应用了第一代、第二代和第三代

单晶合金。使航空发动机涡轮叶片的耐温能力比定向柱晶高了90°C,

目前,推重比8一级发动机普遍应用了单晶技术。

3.1单晶叶片产生的背景

单晶的产生是有着其强烈的应用背景的。航空发动机涡轮叶片的

运行表明,绝大部分叶片裂纹都是沿垂直于叶片主应力方向的晶界即

横向晶界上产生和发展的。因此消除横向晶界可大大提高叶片抗裂纹

生长的能力,基于此思想,采用定向凝固,以获得平行与叶片轴向的

只有纵向晶界的柱状晶。后来采取特定的方法消除一切晶界,这就是

单晶叶片。单晶高温合金作为航空发动机叶片材料.其承温能力比定

向柱晶高温合金提高近100℃。应用高性能单晶合金材料.并结合先进

气冷技术.可使发动机涡轮进口温度提高300℃.发动机燃油效率提高

30%以上,叶片工作寿命可大大延长。以重型燃气轮机与叶片工作温

度每提高50℃,燃气轮机的效率增加7-8%;燃气轮机叶片采取复杂内

流道冷却结构;定向凝固、单晶,使叶片工作温度高达1400℃,可节

省燃料20%~30%;陶瓷复合材料结构的航机叶片,工作温度至1800℃,

提高飞机推重比。CE公司用第二代单晶合金ReneN5铸出长400mm/重

9kg的GE90发动机单晶空心叶片。F119发动机(F-22用)的涡轮转子

叶片选用了第二代单晶高温合金PWA1484,该材料本身最高工作温度

为1070℃左右;定向生长及单晶叶片提高高温叶片的强度。

3.2单晶叶片的制备方法

3.2.1定向凝固

定向凝固和单晶叶片都采用熔模铸造(investmentcasting),

即在蜡模模样上包覆耐火材料制成型壳,加热熔出模样后型壳经高温

焙烧成铸型,然后结合特殊的定向凝固工艺或选晶装置来制作产品。

定向凝固方法有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法如图。一

般来说,在定向凝固装置上加上选晶器都能制备单晶。常见的单晶选

晶器有4种类型:转折型、倾斜型、尺度限制型(缩颈选晶器)和螺旋

型。螺旋型选晶器是目前应用最广泛也是最成功的选晶器。

(a)发热铸型法(b)功率降低法

(c)高速凝固法

定向凝固装置选晶器

3.2.2陶瓷壳型及陶瓷型芯的制作

自20世纪50年代以来,先进国家的航空发动机的推重比,平均

每年提高16%,涡轮前温度每年提高20-25℃。而航空材料的承温能

力每年只有10℃左右,因此必须依靠高效而复杂的叶片冷却系统。

这就意味着用来制造空心叶片的陶瓷型芯具有复杂的形状和极高的

耐火性。如单晶叶片浇注温度为1540-1620℃,大于定向凝固柱晶叶

片的1500-1550℃,这就要求陶瓷型芯在浇注过程中要承受苛刻的工

作条件。型芯材料选用条件:足够的耐火度、与合金有较高的不相容

性、与壳型相匹配的线膨胀系数、还有一个就是能用化学方法脱除。

目前,一般采用氧化硅基型芯和氧化铝基型芯。氧化硅基型芯在浇注

完成后易用碱液腐蚀掉。氧化铝基虽更适合于更高温度的单晶的型

芯,但其制备工艺较复杂,且型芯的去除也复杂。氧化铝基型芯的去

除有两种方法:1氟盐类化合物作为介质,原理是

AlOFAlF3并辅以高压水冲洗。

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2以碱液作为介质,辅以高压水,先腐蚀掉在氧化铝焙烧过程中

在其表面形成的网状结构膜-尖晶石,留下松散的AlO颗粒,通过机

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械方法去除。

3.2.

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