高温合金的应用与发展

高温合金的应用与发展,高温合金的应用与发展,1 高温合金的简介 2 高温合金的应用 3 高温合金的强化机理及制备工艺 4 定向凝固和单晶叶片 5 总结,1 高温合金的简介,名称：热强合金、耐热合金或超合金(Superalloy) 产生：主要是为满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的 特点：较高的高温强度、塑性；优异的抗氧化、抗热腐蚀性；良好的热疲劳性、断裂韧性；良好的组织稳定性和使用可靠性 分类：按成型方式可分为变形高温合金、铸造高温合金（定向、单晶、共晶） 按基体高温合金可分为镍基、铁基和钴基三类,2 高温合金的应用2.1 航空、航天,燃烧室 主要用材为GH1140等。 导向器（导向叶片） 精密铸造合金有K214、K232、K406等，定向凝固有DZ3、DZ5等。 涡轮叶片 工作条件最为恶劣，受力复杂。用材：GH4033、GH4037，K403、K417、DD402、DD3等。 涡轮盘 国内首创用K136合金电渣熔铸涡轮盘。,航空涡轮发动机结构 GE航空涡轮发动机,德阳东汽铸造有限公司,工业燃气轮机 工业燃气轮机叶片应用最广的是K438（IN738），美国Cannon-Muskegon公司开发了应用于工业燃气轮机涡轮叶片的单晶高温合金CMSX-11B和CMSX-11C。 石油化工 石油煅烧工厂燃气炉部件、乙烯裂解炉及管道、核反应堆、煤的气化和燃烧、玻璃纤维制造中的熔化器、旋转部件、热交换器、氨气的裂解、二氯乙烯生产炉、乙烯基氯化物单体生产工厂等（玛努尔公司）。,2 高温合金的应用2.2 民用高温合金,冶金 加热钢材的热交换器、回转炉及炉内部如炉辊、挂钩、衬板、法兰、传动杆、铝熔化炉的热交换器、气体渗碳炉部件等。 其他应用 城市垃圾高温分解工厂炉内部件、垃圾焚烧工厂热交换器和加热管、纸浆和纸张工业炉内部件和加热管、陶瓷煅烧窖内部件等。,2 高温合金的应用2.2 民用高温合金,3 高温合金的强化机理及制备工艺3.1 高温合金的组织和强化方式,组织结构 + +多种碳化物 为基体，是面心立方结构的奥氏体 为金属间化合物Ni3(Al,Ti)等 强化方式 固溶强化 沉淀强化 弥散强化 固溶强化 添加钴、铬、钨、钼、铌、钽等元素提高原子间结合力、产生点阵畸 变、短程有序及其它原子偏聚，阻止位错运动 。,3 高温合金的强化机理及制备工艺3.1 高温合金的组织和强化方式,沉淀强化 添加铝、钛、铌、钽、铪等形成共格稳定金属间化合物Ni3(Al,Ti)。 晶界强化 添加微量的硼、镁、锆和稀土等吸附在晶界的元素，形成局部合金化，减缓晶界扩散、强化晶界。 总结：高温合金针对不同的强化方式，添加不同的金属，使其合金比几乎达到极限，也使其熔炼、凝固、热处理以及检测变的很复杂。,3.2高温合金的设计方法及工艺3.2.1设计方法,1 理论 针对控制TCP析出相而展开的平均电子空位法、d-电子理论法以及在电子和原子层次上利用计算机、人工智能和最优化方法对材料行为进行计算机模拟设计的方法。 2 实验+经验 “炒菜法” 添加不同元素和改变含量来进行实验设计。美国和俄罗斯作为世界两大高温合金研究生产与应用强国，更多的是依靠实验来进行合金设计的。,工艺：两次熔炼母材熔炼和重熔。母材熔炼获得所要求的化学成份。重熔的目的是为了进一步精炼及控制钢锭的凝固过程，得到气体、夹杂物含量很低和结晶组织较好的钢锭。 设备：真空感应炉+电渣重熔（原理、优点、局限性）,带流槽的真空感应炉 单相双极电渣炉,3.2高温合金的设计方法及工艺3.2.2 工艺及装置,原因：其它材料以及普通高温合金的性能无法满足航空、航天等领域对高性能材料的需求。,4 单晶叶片 4.1 定向凝固和单晶产生的原因,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，获得与叶片轴平行的只有纵向晶界的柱状晶。在此基础上，采取特定的方法消除一切晶界，便可得到单晶叶片。,原理：控制热流方向从而建立定向温度梯；阻止新的晶核形成,4 单晶叶片 4.2 定向凝固,方法：发热铸型法、功率降低法、高速凝固法 、液态金属冷却法,温度梯度7-11/cm，生长速率8-12cm/h 功率降低法,温度梯度26-30/cm，生长速率23-27cm/h 高速凝固法,实心叶片熔模铸造工艺：制模样-组装浇冒系统-制壳-脱蜡焙烧-浇注-清理,4 单晶叶片 4.3 熔模铸造实心叶片,选晶器：,熔模产品：,螺旋选晶器 缩颈选晶器 单晶叶片型壳,德阳东汽铸造有限公司,D=3-5mm,结晶沿螺旋方向攀旋近180时便可得到单一晶粒,空心叶片产生原因：发动机推重比和效率燃气温度，但是叶片承温能力提高缓慢，采用冷却系统可有效的降低叶片温度。,4 单晶叶片 4.4 熔模铸造空心叶片,空心叶片制造工艺：增加了制芯和去芯工艺,4 单晶叶片 4.4 熔模铸造空心叶片,陶瓷型芯选用条件： 足够的耐火度 与合金的不相容性 与壳型相匹配的线膨胀系数 能用化学方法去除 一般采用氧化硅基型芯和氧化铝基型芯,陶瓷型芯去除： 氧化硅基型芯 浇注完成后用碱液腐蚀掉 氧化铝基 辅以高压水冲洗,两种型芯比较： 氧化硅基型芯在使用温度超过1500-1550时，型芯会与合金中元素反应，影响叶片质量。氧化铝基型芯结构更稳定，耐高温性更好，更适合单晶浇注（1540-1620) 。但其制作、去芯较为复杂。,4 单晶叶片 4.5 单晶制造设备,大尺寸L-650MM单晶叶片制造自动化装置-14,技术指标 :,1 采用液态金属（熔点低、沸点高）冷却器代替传统的辐射冷却，提高温度梯度。 2 该设备可以保证叶片在1650的高温下进行精确几何的浇注. 3 半断续工作真空熔化浇注装置,并设有自动控制的浇注系统，可以得到长度250的叶片（-9）和650叶片（-14）,4 单晶叶片 4.6 DD3单晶,DD3是我国第一代单晶合金，力学性能与美国单晶 PWA1480相当。由于不含Re、Ta、Hf成本较低，已成为航空涡轮发动机叶片材料。,4 单晶叶片 4.6 DD3单晶,DD3材料技术标准Q/6S366-90技术条件（部份） C0.01 S0.002 N0.0012 O0.001 P0.001 北京航空材料研究院浇注了长度为70-150mm的实心、空心叶片，生产实心单晶涡轮叶片的毛坯合格率达70%以上。,4 单晶叶片 4.7 单晶、柱晶及普通叶片的比较,承温能力 第一代单晶(PWAl480和SRR99)=定向柱晶+(2550) 第二代(PWAl484、CMX4、ReneN4)=第一代单晶合金+ 25 第三代TMS26(日本)=第一代单晶合金+90 寿命 定向叶片寿命=普通铸造叶片寿命2.5 单晶叶片寿命=普通铸造叶片寿命5 例：美国海军用直升机发动机T400WV402使用PWA1422定向叶片，寿命2000小时，改用PWAl480单晶叶片，寿命达到6000小时。 在持久强度、中温性能、阻碍裂纹生长等方面定向和单晶都有大幅提高,5 总结5.1 发展趋势,涡轮叶片材料的发展 锻造高温合金多晶铸造高温合金定向凝固柱晶单晶定向共晶高温合金金属间化合物、人造纤维增强高温合金定向再结晶氧化物弥散强化合金非金属材料,5 总结5.1 发展趋势,陶瓷基复合材料 良好的冲击抗性；高温稳定性；但比强度相对较低，成形困难、可靠性差、成本高 Nb-Si基原位自生复合材料 良好的室温韧性、断裂韧性、抗冲击性、较高的高温强度、较好的可加工性、但其抗氧化性和蠕变强度不足 所以 随着航空和地面燃气涡轮要求提高工作温度、提高推重比，延长寿命，而其它材料无法满足其要求，高温合金虽然成本高，但在未来一段时间里，仍将是航空及燃气涡轮发动机主导材料,国外 定向柱晶燃机叶片材料和制造技术成熟，已在燃机上普遍使用。单晶叶片也有装机件，但使用率并不高，这主要是因为燃机叶片的结构（主要是尺寸大）使得单晶生长难度显著增加。国外燃机单晶叶片还存在很多难题需要突破，如雀斑、杂晶等，其制造技术并不成熟。,5 总结5.2 单晶及应用现状,国内 目前，国内有单晶牌号4-5个，但真正经过发动机单晶叶片应用考核的只有两个DD3、DD6，其它牌号合金均是只有成分和性能的结果。目前，我国单晶合金主要是航空发动机涡轮工作叶片采用，燃机叶片国内刚开始研究等轴晶，期望替代进口件降低成本。我国航空发动机复杂单晶叶片制备水平正在向工业批量化生产转型，但技术还有待进一步完善，还有一些技术瓶颈需要突破。,5 总结5.2 单晶及应用现状,设备 单晶叶片的制造设备国内外都有成套出售，但必须根据需要和要达到的目标相对应，不同用途和结构的叶片材料其制造和检测设备是不同的。这些设备包括熔炼母合金、熔模、陶瓷型芯、陶瓷型壳、真空熔铸炉、后处理（脱壳、脱芯、热处理、热等静压）以及无损检测（型面尺寸、冶金质量、单晶生长情况判定等）。,5 总结5.2 单晶及应用现状,型芯去除 简单叶片陶瓷型芯可通过机械清理、但对于叶片内的陶瓷型芯国内外均是通过化学腐蚀的方法。 单晶鉴定 主要靠宏观腐蚀观察并结合X-Ray检测。 冷却通道 叶片内部的冷却通道是通过陶瓷型芯形成的，一般不采用机械加工。,5 总结5.2 单晶及应用现状,Thank You !,