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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
AlOFAlF3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
23
械方法去除。
3.2.
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