镍基单 晶 温高合金的 发概展
况 镍基 晶单高温合 金 的 发 展概
`况’ 2 崔 树 王森 刚 少杨胜 群 刘秀 玲于 兴 福 ( 1 沈 阳 黎明航 空发 动 机( 集 团 ) 有 限 责 任 公 司 辽宁沈阳 H
黄 爱
华
’,
,
,
’
,
,
’
.
,
(
抖; 3
20 沈 铸 造阳研究 所
.
,辽
沈宁 阳n o2 )。
摘
要 论述 了单晶温 合金高的制 方法备凝 固 过程 控制的 成 的 发展
分:
。
:
,
概
述了 单 晶高温 合 金的 发 展 历程以 及 金合
最后介 绍 了 国高我 合 温 的金 展状发况
。关词键镍 基 单高温晶 金 ;合制备 方法 ; 合 金成
分高温 合
金等轴 由晶经 了定历 柱向 晶发 到单 晶 既展是 发 动工 作机温 度 不 断提 高的 要 求也 是凝 技术 持续固发 展 的结 镍果基 单高晶 合温 金 常通划分 五 代 早 为期研制 的单 合晶金 称为 一 第单 代晶合。
,
,
,
金
1 随着徕 (Re )元 的素人 引 二第代 第和 三代 单合金晶冈 继 出相现 近 期开始在 单晶合 金中加 人元素钉
u R ) 从 而 ( 研 制出 四 代至 第 五 代第单 晶高温 合金
、
、 、
,
,
,
,。
镍
基 高 温合金 广 泛应用 于 空 航 天 航舰船 电 发床机石 和油化工 工业 等域 在领航 发 动机空上主 要用 于 作制端 部件热如 涡 轮工作 叶片导 向叶片 涡 轮 盘 燃 烧室和 气 机压等 部件在 整 高个 合温
,
、
、
、
,
、、
。
领金 域 中镍 基 高 温合 金占特有殊 重要的 地 位铁 与和基钻 合基金相 比镍 基合 金 具有 好更 的高 温性
,
,
,
能 好良 的抗 氧 化和 抗腐性 能蚀可 说 镍以基高温 合 金 发的 展决 定了航 空涡 轮 发动 机的发展 也决 定了航
空 业 的发工
。展
,
,
,
, 用采 向凝定 固技 制术备出 的 单 晶合金 使用其 温度 已接 近 合金熔 点 9 0 %的成为
。
,
,
代当 先进 空 航动发 机热端部 不 可件 代 的替 要重结 构 料
1材
情 介况绍,
。
铸件形成 定 向 晶组 柱织必 须 具两 备条件 个是一 流热必须 垂 直 晶 体 于 生长 的 固界 液面单 向流 动 r; d 二是固液 界前 方 的体液 没 有 稳定中的 晶 核Bi n 法就 是 一种 泛应 广 的 用由 温高熔体 生长 单晶的 ma
方法
。
g单晶 和 定 柱向 凝 晶固过程 的 唯 一 别是差单晶必 须是 由 个 一晶 长 核而大成 的
法 通 常 两种有 即 选晶法和 籽 晶 法 种方两法 各 优 缺点有 互相补充
:
,
。
获得 一 单晶 的 核方
,,
、
。
l() 螺旋 生长 制 法单备晶 的 本基 原 理( 图 1 图 2) 多 晶 众 粒在 经 螺旋 过 形 单 晶的 选择 后器 只
,
剩下生
最 快 的 长一 个晶粒 而 从 成形单 晶
,
。
图
单 晶1的
螺旋生 长 法 生示 意图产3
2
图
5
单 晶2 选 择意示
图
十二届全第国造铸会年
暨
国中铸 造活周论动文集 ,
籽晶法制 备单 晶的基 原 本 图理座上
自由形 核
。
。3 了在冷 底 籽 晶水在定向凝 固过 程部中分熔 从 化 消而
(
型除 壳预热前
型壳 预 热合前 浇注 后 型金 下 壳降
图
前
3
籽晶 法制 单晶 的基备本 理
1原〕 取向单 晶
,
选
法 晶基于 结晶 择生优 长理原 只制取 【能
, 0 , ,
,而 能控 不铸件 制的横 取向向 和 取其 它
制。
取向 单的晶 制造 螺旋选 器 晶蜡模 比的 较难 但选 困法晶无需 繁 的籽琐晶 制备 过程
晶法籽能 任够 意
,
控
制 晶 单三 的维 取 取向向精度 也较 高 所但 籽需晶往 要往 选 从法 制晶 的备〔0
功 率不 如 晶法高
。选
〕 单1 晶上切取
且并成
2
单
合 晶的金 凝 过 程固控 制
单晶 的 定向凝固过 程 不仅 是 合 组 织金 成 形的基 础节 环也 是 杂 雀斑 疏 晶 和松枝 晶发 散等铸 造 ,
、、
缺 陷
生 产的 过程
叩lCe y
,
因 无此 论 是改善 合金 的组 织 是还 消除 或减轻 缺 陷都 需 要 调 凝整 工 固 艺 实来现 ,
, , 。
。
等分 析
了 杂晶 形的 原 因后 成 出 当凝 指 潜热能固 通够过 已凝 部 固分 导传出 去 而不 在固 液 界
面即 当 固 凝率速R
附
近 积累多余 的 量时 热杂 晶不就 会 形
成
,
:
满足 式( l) 时 有可效地 防 杂止 晶的形 成 凝为固潜 热 。
,。
R
瓜△ 叼H,
(l )
△
H、
式 中
为 凡固 热态导率 偏 界为 面近附 相 固的中温 梯度
D度 u lh
分析 了 雀
斑 的成因
, ,
,
等 较轻i 正的 出指 由 定 向凝于 固 过程中 状糊区底 部的相液富 集 了lA T,
, 。 , ,,
偏 析
元 素 因 而密度 较低 于 糊小 状顶 区 液相部的 密 即 形成度所 谓 的密 度反 是转 一种 不 稳定状 态的碎
屑于 是 生 产了 斑链雀防 发止 生 密度 反转斑 链
。
。,
这个 密度
差 驱 低部 使液相 向上喷射 折 断了 枝 晶尤 其 是二次 晶枝的 端部 形 成 了 可 为 作轴等晶 核晶,
。
在
定 给的合金成分 要下避 免形成雀 链斑就 必须 降低 状 糊 区的 度高 以
,,
,
,
当>G ` 时 出不 现雀链 斑而 当
存 在此 一个 临 界 温度 梯 * 度
C **
,
,,
,
,
> △R T /△ *t
:·
G
,
(2 )
T
为不t产生 斑 链雀 临的界 局 部 凝 时固 间△式中 *△
为
晶结温 度间隔 ,
,
`
糊为状 区中 的温 梯 度
度
,
。
当 凝固工 艺 选所的 和 雀
斑 形链
。成
` 和R
位于图
4所
示的 定
向 凝 区 固 时可保 证 单 凝晶 固顺 利进行 避 免杂 晶
,,
在实
现单晶 定稳态凝 固从 而 避 免粒 晶缺陷后 需 一进 步选 择 确 的 凝准 参固数 以 善 组改织 结 温
度构梯 度 通 受设 常备 导热 能力 限制 难以 大 围改 范 容 变易调 节的 凝 固 数参只 有凝 固 速 率R 据根成 分过冷理 论 在 温 度梯度不变 时
随 , ,,,
,
R
的
大 凝 固增界 面形 依 态次 平 为 胞面状 枝 等状 类型平 界面 固
凝26
3,
、
、
。
镍
基单晶 高温 合金的发展 概 况
卜
乓乓 / △轴
等
H晶
定 向 报固二
△ 1丫 △刀 扣 `
缺陷
图t,
4
证保 单晶顺凝利 温度固 梯 和度凝 固 速 率允 的选许 择 围
, 范 ,
时 不, 生产显微 偏 析可 获以 较得为均 匀的 组织 但是 求较低 要的 凝 速固率 很不 经济实 生际产中 常
的见枝 晶是凝 固枝 间晶是距 最基本 组织的参
数,, ,
。单
高温 晶金合 的 性是能各 异 向 性的 且 并由于 一 是名 种 义上 单的晶 体其中包 含 了 第二相 枝 晶 等 大 量 亚的结构 因 素 些 亚结 这构 材 料 的对力 学性能产 生 著 显影 响 的而 因 同晶不 取体向 的 区别 不仅
,,
、括包晶 体 方学 的面 异 差更 具有 织组 方面的 不
同,、
,
实。际 产 生 受零中件 构结形 状 内 腔型芯 结构 形状及 工 型艺 壳 工艺 零件 组合 方 凝 固案 备 条设 件等 多 方面 因 素影 响 晶零 单件 的备制过程 复是 杂而繁 琐 的工 艺参数需要 复摸反 索不 断 细微调整 ,
, ,。
、
、
、
单以晶 涡 轮 叶 片 例 其为结 形构 状由 下到上 分 为: 桦 头下椽板 叶 身 上 椽 叶板
, , 冠
,,
、
、
、
、
。
叶片内腔多
肋为 条式薄片 由状硅 基铝或基 芯型 成形型 芯 的 成 工型艺 对 其 能性 响影 大很 性能不好造 成 的 型芯
断漏 变形和也 影是响单 晶制 的备制 约因 素型 壳 性 的也能 影 响是 晶单备 制的 关 因键 零素 的件组 方合案及熔铸工 艺与 单晶结 炉构件密 条相关 切前 目真空定 向 单( 晶 ) 炉主 有两要种 冷 形却 式水冷 与法 液:
,
。
。态 属 金冷 法却
、
。
产生中 用常 的 空 定 真向( 单 )晶 炉主要由加料 室 真 空熔 室炼 包(括增 涡 壳型 热器 )
、
加、
、
、
隔
离阀 铸室 型水冷结 晶 器及 却 系统冷组成 根 据组 合 案及方组重 确定选用 的 竭柑 构 大小 结热加
的 器形式调 整 水 冷结 器 的下晶 速 降度及 冷 系却统的 进水 温 和度 压 等 等 力合 理的工 艺方 案参 数 用
选
、、
。
,
,
。
、
,
先进
的 体 设备炉 动自化控 制 系统配 备 是等获 得 优 高质性能 单晶 金合铸
件 必要 保障的 同 ;时 金 合
炼技熔 术提升 纯 化程净 度 提 合高金成分 元 及素 比配的不断 改进是 发 展 单 晶 高温 合金铸 件 的基
、
础
、
。3
单晶 高 温合 的金 发展历 程
, 。,、
单晶 高 温 合金是 先 进航空发 动 的关机键 材 料多 年来 各 十国分重视镍 基 晶单合 的 金研制和 开 发阎 gG E 采 用9 基镍 晶单 高合 金温制 造 涡 轮 片叶 已成 为当先前进 航 空 发动 机 标 的之 一 志 Fll J Z o 0E
、
、
等先进航 空 发 动机无 一例 地 选外 用单了 晶 合金作 为 片叶料材与多 晶温高 合相金比 单: 晶合金的 主要 优势在 于 ① 高 的熔初温 度容许 合 金 进 充行分的 固溶 处 理从 而 获得 高 的 蠕 变 强 ; ② 度 有易没 成 为纹 裂始起位 置 的界晶; ③ 由于 0体晶 取向 的 弹性 低模量而 有具高 的 热 劳抗疲 单力 晶M
82一
、P
2(X
)X
。
,
,
高温。合金 将也 今是 相 当长 后 期 时先 内航进 发动 机 的 空关键 材料2 0世纪 7 0 代年 以 国际 来上对 其 他 高 温材 料也一直 在 进行 研 究 如定 向 共晶 合 金 难 熔 金 属基合 金金属 化间 合物 基 合
金:
。。, ,、
,
,、
、
陶
材瓷
料。
。
但 目前
因都某些 关键 问 题 未 获 解 还不决能 顺 利 诸付 际 实应 用 今迄还没 有一 类 材 能像料 镍 单 晶基 高 温 金合这 样 有具良 好综合 性 能 在 的后 相今 当 长 时期 单内 合金仍晶 将是航 空发 动 机关 的材键 图 5料 是 镍基 温 高合金 发 展 的本 基趋势。
er yr 等人发 现 普通铸 造 高温合 金 和 应中 力 轴 垂 的 晶直n d e 世2纪 0 60年 美代国 普 惠公 司的 v s界 是高 温变形时 裂 纹起始 的 主 场要 所 使 若晶 界平 于 应行力 轴 主方向定 向 列排 高变 温形时 用作 晶在 界上 的 应力会最 小从 而 延 裂缓形纹核 而 提高蠕 变 持 久寿 在 命这种思想 指 导 下发 明了 定 向 凝 固技 。
,
,
,,
。
术这是 温高 金 发合 展中 一个的里 程碑
,
。
3
72
十二第届全国铸造年会 暨
国铸中造活动周论 集
文
一ó 。 e.卜 乏 尹 尸`d n L 0 巴 u d 苟J 台 分
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1
5 80
190日
2以扣
20
10
镍基
高 合温发金展 的基本 趋势
金 合础 基上 研制 成 定 的向凝固高 温 合金 PW A1 2 具4有 好 良的中 温 高蠕变断 裂 强 度和 塑 性而 热且 劳疲性 比能原合 金约 5高 倍在先进 航
空 动发机上 获得了广 应泛用我 国 的 D Z2
在,,
M。 A 一 MR o
Z
、
合 就 金是 以
造了条 件,
。
P W A14 2
为
原 型 而研制 的 定向凝 固技 术的出现 为 发展完 全除消 界 的单 晶高温晶合金创
,
。
ri n 对比研究 了 M 9 86 普 年惠公司 的 G e 1ea 和 lv玩r M oZ 单和晶 定向柱 晶的 组织 和 性 结果能 a r一 M Zo 相比 单 晶 Mar 一 ZMo 的 蠕 变 疲 劳 以 及抗 氧化 性能 没 任有何 提 只 是 改高 却 发现 柱 晶 与 aM 进 横 向了强度 和性延而 几 乎时同发 现 在定 向 凝固金合 加人中 f 可H 以提高横向性 能
, ,
、
。,
,
。
c ko
s 年n J r aM Z一o+ f 0 ℃ 的持久 命 与 寿小细丫相的 体 积 分 数有关 而增等 人在研究 M a H合 金时 现 合发金 在 9 r ,8 加 小细 相数 的关量键在 于 提高合金 固 温溶 去度除 CB Z f H 等晶界强 元 素后 化金 的初 合熔点提
197 5, ,
’
、 。、、
由
于 单晶的 品成 较低率 而性 能又 没 明有显 提高 因此 当时 能未获 得 实际用
应,
,。
,
,高
可 以更高 在 的 度温 进下行固溶 处 理 晶单 的优势 才显露 出 来 :19 5 年0Ge l 等 人 据根这 研 究工 些作提 出 了单 晶 高温 合 成金分 设计 基本的原 去 则除,
, ,, 。 ,,、
,
,
C 。 ZrB
、
、、
H
等降 低 合初金熔 温度 元 的素增 难 熔元 素加 af T的 含 提量高 固 溶 度 温 这样 的按原则 研 制出了单 ~ 习 D 1一7 晶 合金 P W A 14 os 其 承温 能 力 比定 向 金 合P W A1 42 高 25 5 ℃ 并0立 应即 用于P W 20 3 7」R 4 军用 等和商用 航空发 动机投 人航 使用 线单 晶高 合温 金 此从 入 进一 蓬个勃发 展的时 期 单高温晶合金 通常划 分 为若干 代 现 已有在 五 第代单晶 高 合温 金 的提 早法期研 制的 单 高晶 合温 e金 为称第 代单 一晶合 其金 温承 力能 定 比凝向 固 高温 合金 约高 3 0℃ 随 徕着元 素 (R) 引人 镍单基晶 高 合 温金承 温 能力 第比一代 单 晶合金 分 别 高约3 0℃和 0 ℃6 的 第二代 单合 金晶和 第 三 代 单 合金晶 相 继 出现 近 开期始 单在 晶合金加 人 一 个另元 钉 素( R u )从而开 研始 出第 四制单 晶合代金 至甚 五第代单 , 。
。 , 。 。 。 。, ,
晶 高
温 合金
。
4
单 高 晶温合金 成分的发展 在
单晶 成的 设 计分 中要兼 顾合 金 性 能 和艺 工 性 能由于 单晶 中不 存 晶在 界应并 用在较 为 苛刻
,, , , 。
环的境 下 所 以 引 人了某 具有些 殊特 用 作的 合金元 素] I 下
变 化趋势4 引人
:
随 着 晶 合 单金的 发 合展 的 化学金 成 具分有 如
,、
R
、
e元素 引人“
。
,
Ru
、
Ir
等铂 族 元素 增
加难 熔元素 W
”“ ”
,
加 入 总量增 加 引 人
6代 1为.
,
C
B
H 等元 素从 、 全去完 除转 限为 使量 f
用
。;
降低
C
r
T
的含量 ;难 熔元 素 的 含a 从 量而允许 加 更 人其多他的 M
O R
,e.
、
、合 金
化元 素 而 保 持组 织稳 定Re
,
元
素 熔难元 素的加 总 人增 加量,
以
MC S X 列 系 晶单 合金 为 例 第一代 为 1 46 w % t第二
,4
w t%
而
第 三 代 达高 02
.
7w t %
。
其中
Re
元
增 素加 的幅 度 很大 难 元熔素
3 28
。Re
对
单 合 晶 蠕金 变
强
镍
基单 高晶温合金的 发展 况
概度
贡 的很 大献
, ,
,
3% R e
和
6%
,
R
e
e 几
乎 是 二第 代和 第 三 代 晶单 金 合的主 要特 征R的 熔为点3
,,
。
45
3
K
,
仅
2 耐 e沙 次 于W可显 著 增强元 素 间的 结力 合从 提 高耐而温能 力其 度 密为 R1 强是 有力的 固 强 化 溶n元 素 主要 进人 基体, 成形 尺寸 1约 的短 程m有序 的 子原 团 效 有 阻碍地位错 运 动 约 有 20 的%e R
,
。。
进人
,’
相 直
接 强 丫化相 ’[
l,,
。
e
RN形 成 不可 压 的缩 i 与可i N
,
一
R
键 e提高 素 元扩的散 激活能 降低 元
素
,
,
,
扩的散 系数 有 利 提于高
,
e’
的溶 解 温 度减
,
慢
,
’沉淀
的长大速 度制抑
。,
`
相粗 形化 筏 也慢减了 控制
, ,
,
蠕 机 变制的 扩 速散度
环 境性 能
。
。
R
加人 的 助于有 减 少 单晶 件铸 的粒晶 缺陷 表和面 再 晶结还 改 能合 金 善 的抗
偏
析 于枝 晶干 并加 剧 了他 合金 其素 元偏 析 的Re 是 进 人有 害的 T C P 相 的素 元对合 金 的 织稳 组定性有 不利 响影 2 )e 也难是 熔 属元金素具 比有 低R得 多 的密度 ( 1 2 . R 单在 晶 高温合 金 中作的 用 ( 钉 Ruu 沙耐 )
。 ,。
,
Re
u
3 K)和 沸点 ( 4 4 3 2K) 能R 够 高合金 提熔 点 的优先 它布 分于, 中相并 使 晶 错 配 格高 的熔点 ( 2 5 e 2u 度 朝负的 方向 变化 u R 在 凝 固 程过 中 发不生 象 R那 的偏析样加 人R 能够 保持 或提高合金 强度 而 。 ,
。
,
,
低
降T P
C相
形 成倾的向性 有 于 合 金 的长期利用
。
使,
。
究表研
明。
,
Ru
是
目 发 前 现 的唯 一不 促 c进
T
P
相
形
的成熔难金 属元
素
6图是 高温 金合 成分 发 变展 趋化
图
势
6
高
合温金 分成 展发变 化趋
势
5
国我单 晶 高温 合金 的 发展及 建
我 议国从 20 世 纪 0 年 代开8 研 始 究单晶 合金 至今 已发 展到 第二 代 晶高单温 金 主 要合 研制 出 如下
,
,几
种单 合晶 金牌 号
、
:
DD 3DS
。
D、
、
D
n6
,有还其他几 牌种号 合 金 仿为制,
:
DD 40 DD 9 2 8 DD9
,
、、
D、 3D2
、
D 9 D3 D
D9 0D 4D D DS
、
、
虽 有 些 合然金 有 了 牌 其号 实 仍有没 得 到 用应 研 究目前为 止 正 真使用过 的
。, ,
,
有
仅
DD3
和D6 DDD
S,
正
在研 究中 可 我 见国的 单 晶 金合 研发 究展还 只 处是于 起 步段阶 对 于我 国
, 的。
晶单合 的金 研制应 走 自主 识 知产权道 路 议 国 家在 建 单晶金 合的研 方 面究应 大加投 更人多 的支 持科 研 院所 高校 及企 业 参与 研 究为 我 国单 高晶 合温 金 发的 展造创 条
今件 文考献 ] :材工料 J 程] 荣 陈 单 章晶高温金发展 合现状 [ [l
.
.
,、
1
995
:
)
8(
:
一31 2
.
]2 师绪昌 达 荣 陆 中科国 高温合 金 [40 M年 [] 北 京中国 科 出 技社版
,
.
,
.
,
19 33 6(1 ) :一 1.
,8
3 [
l 胡壮 刘 麒荣丽 金 涛 等 晶单镍基 温 高 合的 金发 田展航 空发动
机 ,,
,
.
.
,
025 3 1
,
,
3)
:(
1一
.7
,
4 ]
书伟马 李嘉 候荣淑 娥 等锌 对
,
[
,,
.
,
相
化粗 为行的影 响 田 空 材 航 学料报
.
仪2 旧2仪 : )3
11 一 巧
.
3
2
9
镍基单 晶 温高合金的 发概展
况 镍基 晶单高温合 金 的 发 展概
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20 沈 铸 造阳研究 所
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沈宁 阳n o2 )。
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要 论述 了单晶温 合金高的制 方法备凝 固 过程 控制的 成 的 发展
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述了 单 晶高温 合 金的 发 展 历程以 及 金合
最后介 绍 了 国高我 合 温 的金 展状发况
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金等轴 由晶经 了定历 柱向 晶发 到单 晶 既展是 发 动工 作机温 度 不 断提 高的 要 求也 是凝 技术 持续固发 展 的结 镍果基 单高晶 合温 金 常通划分 五 代 早 为期研制 的单 合晶金 称为 一 第单 代晶合。
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金
1 随着徕 (Re )元 的素人 引 二第代 第和 三代 单合金晶冈 继 出相现 近 期开始在 单晶合 金中加 人元素钉
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、
、 、
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镍
基 高 温合金 广 泛应用 于 空 航 天 航舰船 电 发床机石 和油化工 工业 等域 在领航 发 动机空上主 要用 于 作制端 部件热如 涡 轮工作 叶片导 向叶片 涡 轮 盘 燃 烧室和 气 机压等 部件在 整 高个 合温
,
、
、
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,
,
,
能 好良 的抗 氧 化和 抗腐性 能蚀可 说 镍以基高温 合 金 发的 展决 定了航 空涡 轮 发动 机的发展 也决 定了航
空 业 的发工
。展
,
,
,
, 用采 向凝定 固技 制术备出 的 单 晶合金 使用其 温度 已接 近 合金熔 点 9 0 %的成为
。
,
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代当 先进 空 航动发 机热端部 不 可件 代 的替 要重结 构 料
1材
情 介况绍,
。
铸件形成 定 向 晶组 柱织必 须 具两 备条件 个是一 流热必须 垂 直 晶 体 于 生长 的 固界 液面单 向流 动 r; d 二是固液 界前 方 的体液 没 有 稳定中的 晶 核Bi n 法就 是 一种 泛应 广 的 用由 温高熔体 生长 单晶的 ma
方法
。
g单晶 和 定 柱向 凝 晶固过程 的 唯 一 别是差单晶必 须是 由 个 一晶 长 核而大成 的
法 通 常 两种有 即 选晶法和 籽 晶 法 种方两法 各 优 缺点有 互相补充
:
,
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获得 一 单晶 的 核方
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最 快 的 长一 个晶粒 而 从 成形单 晶
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图
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十二届全第国造铸会年
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国中铸 造活周论动文集 ,
籽晶法制 备单 晶的基 原 本 图理座上
自由形 核
。
。3 了在冷 底 籽 晶水在定向凝 固过 程部中分熔 从 化 消而
(
型除 壳预热前
型壳 预 热合前 浇注 后 型金 下 壳降
图
前
3
籽晶 法制 单晶 的基备本 理
1原〕 取向单 晶
,
选
法 晶基于 结晶 择生优 长理原 只制取 【能
, 0 , ,
,而 能控 不铸件 制的横 取向向 和 取其 它
制。
取向 单的晶 制造 螺旋选 器 晶蜡模 比的 较难 但选 困法晶无需 繁 的籽琐晶 制备 过程
晶法籽能 任够 意
,
控
制 晶 单三 的维 取 取向向精度 也较 高 所但 籽需晶往 要往 选 从法 制晶 的备〔0
功 率不 如 晶法高
。选
〕 单1 晶上切取
且并成
2
单
合 晶的金 凝 过 程固控 制
单晶 的 定向凝固过 程 不仅 是 合 组 织金 成 形的基 础节 环也 是 杂 雀斑 疏 晶 和松枝 晶发 散等铸 造 ,
、、
缺 陷
生 产的 过程
叩lCe y
,
因 无此 论 是改善 合金 的组 织 是还 消除 或减轻 缺 陷都 需 要 调 凝整 工 固 艺 实来现 ,
, , 。
。
等分 析
了 杂晶 形的 原 因后 成 出 当凝 指 潜热能固 通够过 已凝 部 固分 导传出 去 而不 在固 液 界
面即 当 固 凝率速R
附
近 积累多余 的 量时 热杂 晶不就 会 形
成
,
:
满足 式( l) 时 有可效地 防 杂止 晶的形 成 凝为固潜 热 。
,。
R
瓜△ 叼H,
(l )
△
H、
式 中
为 凡固 热态导率 偏 界为 面近附 相 固的中温 梯度
D度 u lh
分析 了 雀
斑 的成因
, ,
,
等 较轻i 正的 出指 由 定 向凝于 固 过程中 状糊区底 部的相液富 集 了lA T,
, 。 , ,,
偏 析
元 素 因 而密度 较低 于 糊小 状顶 区 液相部的 密 即 形成度所 谓 的密 度反 是转 一种 不 稳定状 态的碎
屑于 是 生 产了 斑链雀防 发止 生 密度 反转斑 链
。
。,
这个 密度
差 驱 低部 使液相 向上喷射 折 断了 枝 晶尤 其 是二次 晶枝的 端部 形 成 了 可 为 作轴等晶 核晶,
。
在
定 给的合金成分 要下避 免形成雀 链斑就 必须 降低 状 糊 区的 度高 以
,,
,
,
当>G ` 时 出不 现雀链 斑而 当
存 在此 一个 临 界 温度 梯 * 度
C **
,
,,
,
,
> △R T /△ *t
:·
G
,
(2 )
T
为不t产生 斑 链雀 临的界 局 部 凝 时固 间△式中 *△
为
晶结温 度间隔 ,
,
`
糊为状 区中 的温 梯 度
度
,
。
当 凝固工 艺 选所的 和 雀
斑 形链
。成
` 和R
位于图
4所
示的 定
向 凝 区 固 时可保 证 单 凝晶 固顺 利进行 避 免杂 晶
,,
在实
现单晶 定稳态凝 固从 而 避 免粒 晶缺陷后 需 一进 步选 择 确 的 凝准 参固数 以 善 组改织 结 温
度构梯 度 通 受设 常备 导热 能力 限制 难以 大 围改 范 容 变易调 节的 凝 固 数参只 有凝 固 速 率R 据根成 分过冷理 论 在 温 度梯度不变 时
随 , ,,,
,
R
的
大 凝 固增界 面形 依 态次 平 为 胞面状 枝 等状 类型平 界面 固
凝26
3,
、
、
。
镍
基单晶 高温 合金的发展 概 况
卜
乓乓 / △轴
等
H晶
定 向 报固二
△ 1丫 △刀 扣 `
缺陷
图t,
4
证保 单晶顺凝利 温度固 梯 和度凝 固 速 率允 的选许 择 围
, 范 ,
时 不, 生产显微 偏 析可 获以 较得为均 匀的 组织 但是 求较低 要的 凝 速固率 很不 经济实 生际产中 常
的见枝 晶是凝 固枝 间晶是距 最基本 组织的参
数,, ,
。单
高温 晶金合 的 性是能各 异 向 性的 且 并由于 一 是名 种 义上 单的晶 体其中包 含 了 第二相 枝 晶 等 大 量 亚的结构 因 素 些 亚结 这构 材 料 的对力 学性能产 生 著 显影 响 的而 因 同晶不 取体向 的 区别 不仅
,,
、括包晶 体 方学 的面 异 差更 具有 织组 方面的 不
同,、
,
实。际 产 生 受零中件 构结形 状 内 腔型芯 结构 形状及 工 型艺 壳 工艺 零件 组合 方 凝 固案 备 条设 件等 多 方面 因 素影 响 晶零 单件 的备制过程 复是 杂而繁 琐 的工 艺参数需要 复摸反 索不 断 细微调整 ,
, ,。
、
、
、
单以晶 涡 轮 叶 片 例 其为结 形构 状由 下到上 分 为: 桦 头下椽板 叶 身 上 椽 叶板
, , 冠
,,
、
、
、
、
。
叶片内腔多
肋为 条式薄片 由状硅 基铝或基 芯型 成形型 芯 的 成 工型艺 对 其 能性 响影 大很 性能不好造 成 的 型芯
断漏 变形和也 影是响单 晶制 的备制 约因 素型 壳 性 的也能 影 响是 晶单备 制的 关 因键 零素 的件组 方合案及熔铸工 艺与 单晶结 炉构件密 条相关 切前 目真空定 向 单( 晶 ) 炉主 有两要种 冷 形却 式水冷 与法 液:
,
。
。态 属 金冷 法却
、
。
产生中 用常 的 空 定 真向( 单 )晶 炉主要由加料 室 真 空熔 室炼 包(括增 涡 壳型 热器 )
、
加、
、
、
隔
离阀 铸室 型水冷结 晶 器及 却 系统冷组成 根 据组 合 案及方组重 确定选用 的 竭柑 构 大小 结热加
的 器形式调 整 水 冷结 器 的下晶 速 降度及 冷 系却统的 进水 温 和度 压 等 等 力合 理的工 艺方 案参 数 用
选
、、
。
,
,
。
、
,
先进
的 体 设备炉 动自化控 制 系统配 备 是等获 得 优 高质性能 单晶 金合铸
件 必要 保障的 同 ;时 金 合
炼技熔 术提升 纯 化程净 度 提 合高金成分 元 及素 比配的不断 改进是 发 展 单 晶 高温 合金铸 件 的基
、
础
、
。3
单晶 高 温合 的金 发展历 程
, 。,、
单晶 高 温 合金是 先 进航空发 动 的关机键 材 料多 年来 各 十国分重视镍 基 晶单合 的 金研制和 开 发阎 gG E 采 用9 基镍 晶单 高合 金温制 造 涡 轮 片叶 已成 为当先前进 航 空 发动 机 标 的之 一 志 Fll J Z o 0E
、
、
等先进航 空 发 动机无 一例 地 选外 用单了 晶 合金作 为 片叶料材与多 晶温高 合相金比 单: 晶合金的 主要 优势在 于 ① 高 的熔初温 度容许 合 金 进 充行分的 固溶 处 理从 而 获得 高 的 蠕 变 强 ; ② 度 有易没 成 为纹 裂始起位 置 的界晶; ③ 由于 0体晶 取向 的 弹性 低模量而 有具高 的 热 劳抗疲 单力 晶M
82一
、P
2(X
)X
。
,
,
高温。合金 将也 今是 相 当长 后 期 时先 内航进 发动 机 的 空关键 材料2 0世纪 7 0 代年 以 国际 来上对 其 他 高 温材 料也一直 在 进行 研 究 如定 向 共晶 合 金 难 熔 金 属基合 金金属 化间 合物 基 合
金:
。。, ,、
,
,、
、
陶
材瓷
料。
。
但 目前
因都某些 关键 问 题 未 获 解 还不决能 顺 利 诸付 际 实应 用 今迄还没 有一 类 材 能像料 镍 单 晶基 高 温 金合这 样 有具良 好综合 性 能 在 的后 相今 当 长 时期 单内 合金仍晶 将是航 空发 动 机关 的材键 图 5料 是 镍基 温 高合金 发 展 的本 基趋势。
er yr 等人发 现 普通铸 造 高温合 金 和 应中 力 轴 垂 的 晶直n d e 世2纪 0 60年 美代国 普 惠公 司的 v s界 是高 温变形时 裂 纹起始 的 主 场要 所 使 若晶 界平 于 应行力 轴 主方向定 向 列排 高变 温形时 用作 晶在 界上 的 应力会最 小从 而 延 裂缓形纹核 而 提高蠕 变 持 久寿 在 命这种思想 指 导 下发 明了 定 向 凝 固技 。
,
,
,,
。
术这是 温高 金 发合 展中 一个的里 程碑
,
。
3
72
十二第届全国铸造年会 暨
国铸中造活动周论 集
文
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0
6
1 790
1
5 80
190日
2以扣
20
10
镍基
高 合温发金展 的基本 趋势
金 合础 基上 研制 成 定 的向凝固高 温 合金 PW A1 2 具4有 好 良的中 温 高蠕变断 裂 强 度和 塑 性而 热且 劳疲性 比能原合 金约 5高 倍在先进 航
空 动发机上 获得了广 应泛用我 国 的 D Z2
在,,
M。 A 一 MR o
Z
、
合 就 金是 以
造了条 件,
。
P W A14 2
为
原 型 而研制 的 定向凝 固技 术的出现 为 发展完 全除消 界 的单 晶高温晶合金创
,
。
ri n 对比研究 了 M 9 86 普 年惠公司 的 G e 1ea 和 lv玩r M oZ 单和晶 定向柱 晶的 组织 和 性 结果能 a r一 M Zo 相比 单 晶 Mar 一 ZMo 的 蠕 变 疲 劳 以 及抗 氧化 性能 没 任有何 提 只 是 改高 却 发现 柱 晶 与 aM 进 横 向了强度 和性延而 几 乎时同发 现 在定 向 凝固金合 加人中 f 可H 以提高横向性 能
, ,
、
。,
,
。
c ko
s 年n J r aM Z一o+ f 0 ℃ 的持久 命 与 寿小细丫相的 体 积 分 数有关 而增等 人在研究 M a H合 金时 现 合发金 在 9 r ,8 加 小细 相数 的关量键在 于 提高合金 固 温溶 去度除 CB Z f H 等晶界强 元 素后 化金 的初 合熔点提
197 5, ,
’
、 。、、
由
于 单晶的 品成 较低率 而性 能又 没 明有显 提高 因此 当时 能未获 得 实际用
应,
,。
,
,高
可 以更高 在 的 度温 进下行固溶 处 理 晶单 的优势 才显露 出 来 :19 5 年0Ge l 等 人 据根这 研 究工 些作提 出 了单 晶 高温 合 成金分 设计 基本的原 去 则除,
, ,, 。 ,,、
,
,
C 。 ZrB
、
、、
H
等降 低 合初金熔 温度 元 的素增 难 熔元 素加 af T的 含 提量高 固 溶 度 温 这样 的按原则 研 制出了单 ~ 习 D 1一7 晶 合金 P W A 14 os 其 承温 能 力 比定 向 金 合P W A1 42 高 25 5 ℃ 并0立 应即 用于P W 20 3 7」R 4 军用 等和商用 航空发 动机投 人航 使用 线单 晶高 合温 金 此从 入 进一 蓬个勃发 展的时 期 单高温晶合金 通常划 分 为若干 代 现 已有在 五 第代单晶 高 合温 金 的提 早法期研 制的 单 高晶 合温 e金 为称第 代单 一晶合 其金 温承 力能 定 比凝向 固 高温 合金 约高 3 0℃ 随 徕着元 素 (R) 引人 镍单基晶 高 合 温金承 温 能力 第比一代 单 晶合金 分 别 高约3 0℃和 0 ℃6 的 第二代 单合 金晶和 第 三 代 单 合金晶 相 继 出现 近 开期始 单在 晶合金加 人 一 个另元 钉 素( R u )从而开 研始 出第 四制单 晶合代金 至甚 五第代单 , 。
。 , 。 。 。 。, ,
晶 高
温 合金
。
4
单 高 晶温合金 成分的发展 在
单晶 成的 设 计分 中要兼 顾合 金 性 能 和艺 工 性 能由于 单晶 中不 存 晶在 界应并 用在较 为 苛刻
,, , , 。
环的境 下 所 以 引 人了某 具有些 殊特 用 作的 合金元 素] I 下
变 化趋势4 引人
:
随 着 晶 合 单金的 发 合展 的 化学金 成 具分有 如
,、
R
、
e元素 引人“
。
,
Ru
、
Ir
等铂 族 元素 增
加难 熔元素 W
”“ ”
,
加 入 总量增 加 引 人
6代 1为.
,
C
B
H 等元 素从 、 全去完 除转 限为 使量 f
用
。;
降低
C
r
T
的含量 ;难 熔元 素 的 含a 从 量而允许 加 更 人其多他的 M
O R
,e.
、
、合 金
化元 素 而 保 持组 织稳 定Re
,
元
素 熔难元 素的加 总 人增 加量,
以
MC S X 列 系 晶单 合金 为 例 第一代 为 1 46 w % t第二
,4
w t%
而
第 三 代 达高 02
.
7w t %
。
其中
Re
元
增 素加 的幅 度 很大 难 元熔素
3 28
。Re
对
单 合 晶 蠕金 变
强
镍
基单 高晶温合金的 发展 况
概度
贡 的很 大献
, ,
,
3% R e
和
6%
,
R
e
e 几
乎 是 二第 代和 第 三 代 晶单 金 合的主 要特 征R的 熔为点3
,,
。
45
3
K
,
仅
2 耐 e沙 次 于W可显 著 增强元 素 间的 结力 合从 提 高耐而温能 力其 度 密为 R1 强是 有力的 固 强 化 溶n元 素 主要 进人 基体, 成形 尺寸 1约 的短 程m有序 的 子原 团 效 有 阻碍地位错 运 动 约 有 20 的%e R
,
。。
进人
,’
相 直
接 强 丫化相 ’[
l,,
。
e
RN形 成 不可 压 的缩 i 与可i N
,
一
R
键 e提高 素 元扩的散 激活能 降低 元
素
,
,
,
扩的散 系数 有 利 提于高
,
e’
的溶 解 温 度减
,
慢
,
’沉淀
的长大速 度制抑
。,
`
相粗 形化 筏 也慢减了 控制
, ,
,
蠕 机 变制的 扩 速散度
环 境性 能
。
。
R
加人 的 助于有 减 少 单晶 件铸 的粒晶 缺陷 表和面 再 晶结还 改 能合 金 善 的抗
偏
析 于枝 晶干 并加 剧 了他 合金 其素 元偏 析 的Re 是 进 人有 害的 T C P 相 的素 元对合 金 的 织稳 组定性有 不利 响影 2 )e 也难是 熔 属元金素具 比有 低R得 多 的密度 ( 1 2 . R 单在 晶 高温合 金 中作的 用 ( 钉 Ruu 沙耐 )
。 ,。
,
Re
u
3 K)和 沸点 ( 4 4 3 2K) 能R 够 高合金 提熔 点 的优先 它布 分于, 中相并 使 晶 错 配 格高 的熔点 ( 2 5 e 2u 度 朝负的 方向 变化 u R 在 凝 固 程过 中 发不生 象 R那 的偏析样加 人R 能够 保持 或提高合金 强度 而 。 ,
。
,
,
低
降T P
C相
形 成倾的向性 有 于 合 金 的长期利用
。
使,
。
究表研
明。
,
Ru
是
目 发 前 现 的唯 一不 促 c进
T
P
相
形
的成熔难金 属元
素
6图是 高温 金合 成分 发 变展 趋化
图
势
6
高
合温金 分成 展发变 化趋
势
5
国我单 晶 高温 合金 的 发展及 建
我 议国从 20 世 纪 0 年 代开8 研 始 究单晶 合金 至今 已发 展到 第二 代 晶高单温 金 主 要合 研制 出 如下
,
,几
种单 合晶 金牌 号
、
:
DD 3DS
。
D、
、
D
n6
,有还其他几 牌种号 合 金 仿为制,
:
DD 40 DD 9 2 8 DD9
,
、、
D、 3D2
、
D 9 D3 D
D9 0D 4D D DS
、
、
虽 有 些 合然金 有 了 牌 其号 实 仍有没 得 到 用应 研 究目前为 止 正 真使用过 的
。, ,
,
有
仅
DD3
和D6 DDD
S,
正
在研 究中 可 我 见国的 单 晶 金合 研发 究展还 只 处是于 起 步段阶 对 于我 国
, 的。
晶单合 的金 研制应 走 自主 识 知产权道 路 议 国 家在 建 单晶金 合的研 方 面究应 大加投 更人多 的支 持科 研 院所 高校 及企 业 参与 研 究为 我 国单 高晶 合温 金 发的 展造创 条
今件 文考献 ] :材工料 J 程] 荣 陈 单 章晶高温金发展 合现状 [ [l
.
.
,、
1
995
:
)
8(
:
一31 2
.
]2 师绪昌 达 荣 陆 中科国 高温合 金 [40 M年 [] 北 京中国 科 出 技社版
,
.
,
.
,
19 33 6(1 ) :一 1.
,8
3 [
l 胡壮 刘 麒荣丽 金 涛 等 晶单镍基 温 高 合的 金发 田展航 空发动
机 ,,
,
.
.
,
025 3 1
,
,
3)
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.7
,
4 ]
书伟马 李嘉 候荣淑 娥 等锌 对
,
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,,
.
,
相
化粗 为行的影 响 田 空 材 航 学料报
.
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11 一 巧
.
3
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