第20卷 第1期2000年3月航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALSVol.20,No.1M arch2000铸造高温合金发展的回顾与展望陈荣章1 王罗宝1 李建华2(1.北京航空材料研究院,北京100095; 2.中国人民大学,北京100872)摘要:回顾了20世纪40年代以来铸造高温合金发展中的若干重大事件:叶片以铸代锻;真空熔炼技术;定向凝固及单晶合金;合金成分设计;Ni3Al基铸造高温合金;合金凝固过程数值模拟;细晶铸造。

展望了铸造高温合金21世纪的发展:单晶高温合金仍然是最重要的涡轮叶片材料;继续靠工艺的发展挖掘合金潜力;发展有希望的替代材料。

关键词:合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片中图分类号:T G24 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2000)01 0055 07自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来,铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。

众所周知,航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的主要动力,后者是前者的重要保证。

占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。

半个世纪以来,航空发动机涡轮前温度从40年代的730 提高到90年代的1677 ,推重比从大约3提高到10[1],这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层,但是,高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。

40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140M Pa/100h条件下的承温能力从750 左右提高到当前的1200 左右(图1),是十分令人鼓舞的巨大成就。

在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程,不能不提到如下几件使人难忘的重大事件。

叶片以铸代锻1943年,美国GE公司为其J 33航空发动机选用了钴基合金H S 21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金H astelloy B。

当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性,宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。

结果表明, HS 21完全可以代替H astelloy B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史[2,3]。

之后,又谨慎地对X 40,GM R 235等铸造合金进行类似的考核研究,使铸造叶片的应用有所扩大。

随着发动机推力的增大,叶片尺寸增大,当时发现叶片的主要失效模式从蠕变断裂转变为疲劳断裂,而铸造叶片由于晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,加之当时出现了性能较高的沉淀硬化型镍基锻造高温合金,例如Nimonic80A, Udimet500,W aspaloy, 437 , 617等,而且锻造技术有所进步,这就使设计师又把叶片选收稿日期:1999 09 20作者简介:陈荣章(1937 ),男,研究员图1 中、美、英各时期的典型铸造高温合金及其性能水平F ig.1 T emperature capabilit y of typical casting super alloys in different perio d 材的重点放在锻造合金上。

到60年代初,由于发动机工作温度提高,要求叶片合金的热强性能进一步提高,使高温合金合金化程度不断提高,于是出现了复杂合金化与压力加工困难的矛盾,并且越来越尖锐,加之这一时期铸造技术进步(多层壳型、真空浇注、晶粒控制等),使合金性能和叶片质量提高,出现了大批复杂合金化的高性能合金如:In100,B1900,6 ,M AR M 200,In 713、G64,MAR M002,Rene 125等[6],使铸造高温合金叶片的应用越来越广泛,而且都是用在燃气涡轮中温度最高的高压涡轮部位。

原先比较谨慎的英国、前苏联的发动机也相继大量应用铸造叶片。

我国第一个铸造高温合金是北京航空材料研究院于1958年研制的K401合金,用作WP6发动机的导向叶片。

我国第一个铸造涡轮工作叶片是60年代初在黎明发动机厂研制的WP 6S 发动机一级涡轮叶片(K406合金),通过了台架试车[5]。

70年代中期,由中科院金属研究所研制成功的K417镍基铸造高温合金制作涡轮叶片用于WP 7型发动机,投入生产,成为我国最先服役于航线的铸造涡轮叶片合金[5]。

70年代之后,由于定向凝固和单晶合金的出现,使得所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片,从此确立了铸造高温合金叶片的稳固地位。

真空熔炼技术50年代初,由F.D.Daramava 发明的真空熔炼技术堪称高温合金发展史上最重大的事件之一[2]。

无论对铸造合金还是锻造合金,真空熔炼可以大大减少有害于合金性能的杂质含量,有效地控制活性元素,从而精确控制合金的总体成分,还可以直接浇注成复杂形状的铸件。

当时发明的真空炉,虽然容量只有几公斤,但是人们将永远铭记它,它是当今容量达60t 的真空感应炉的先驱,也是当今遍布大小冶金企业的种类繁多的真空炉(如:真空感应炉、真空电弧炉、真空自耗炉、定向凝固炉)的先驱。

从那时起,铸造高温合金的发展又跨入一个新时期,陆续出现一大批真空熔炼的复杂合金化高性能合金,如:IN100,B1900,M M002,Rene 125,M M246, 6 ,K419等等。

我国第一台真空熔炼炉是中科院金属研究所于50年代末建立的容量为5kg 的真空感应炉,对新合金的研56 航 空 材 料 学 报 第20卷究起了重大作用[5]。

随着真空熔炼技术的不断进步,合金的洁净度越来越高,美国CM 公司发展的优质级高温合金熔炼技术使合金的杂质含量降低到很低水平,例如,对40个小炉(容量~150kg)和3个大炉(容量~3850kg )熔炼的第三代单晶合金CM SX 10的母合金统计:S,~0.0001%;[N]和[O],~0.0001%;Si,<0.01[4]。

显然,母合金洁净度提高对铸件性能是极为有利的。

定向凝固及单晶合金60年代初期,美国PW 公司在研究M AR M 200合金过程中发现该合金虽然高温强度很高,但中温性能尤其是中温塑性很低,其蠕变过程不出现第三阶段,涡轮叶片在工作中发生无预兆的断裂。

另外在其他合金中也发现类似的中温 塑性低谷 问题。

为解决此问题,人们从成分和工艺方面采取多种措施。

其中, F.L.Varsnyder 发明的高温合金定向凝固技术是一个成功的范例,并由此导致铸造高温合金进入一个崭新的发展阶段。

定向凝固使合金的结晶方向平行于零件的主应力轴,基本消除了垂直于应力轴的横向晶界,并且具有[001]取向的低模量。

在MAR M 200合金基础上研制成功的定向凝固高温合金PWA 1422不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金约高5倍的热疲劳性能,在先进航空发动机上获得广泛应用[1]。

其后,包括我国在内的各国冶金工作者都相继发展了这一技术,涌现出一大批高性能的定向合金,如:Rene 150(美),CM 247LC (美),MAR M 002(英), 6 (俄),DZ22(中),DZ4(中)等,不仅广泛用于航空发动机,而且用于地面燃气轮机。

目前How met 公司售出的地面燃气轮机叶片长度可达305~635mm [4]。

图2 铸造涡轮叶片的发展 左:等轴晶;中:定向凝固柱晶;右:单晶Fig.2 Casting superalloy turbine blades left-conv entional cast;middle-directional solidification;r ight-single crystal 在定向凝固合金基础上发展出的完全消除晶界的单晶高温合金,使合金热强性能有进一步提高(约30 )。

70年代末,由于合金化理论和热处理工艺的突破,单晶合金进入一个蓬勃发展的时期,相继出现承温能力分别提高约30 的第一代、第二代、第三代单晶合金(图2)[1,4]。

英国RR 公司近年研制的第四代单晶合金RR3010的承温能力比定向柱晶合金约高100 。

目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色,正在研制中的推重比为10的发动机F119(美),F120(美),GE90(美),EJ2000(英、德、意、西),M88 2(法),P2000(俄)以及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。

美国的H owmet 公司、GE 公司、PCC 公司、Allison 公司以及英国RR 公司,法国的CNECMA 公司,俄罗斯的SALUT 发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件,品57第1期 铸造高温合金发展的回顾与展望种包括涡轮叶片、导向叶片、叶片内外环、喷嘴扇形段、封严块、燃油喷嘴等,用于军用和商用飞机、坦克、舰船、工业燃气轮机、导弹、火箭、航天飞机等。

美国H ow met 公司及其在英、法、日等国的分公司都拥有大批生产单晶零件的能力,已为各国40多种发动机生产了120多种单晶零件,仅在1988~1991年期间,就售出160万件。

目前的年产量已超过30万件[4]。

80年代末以来,北京航空材料研究院逐年小批量生产供设计试验用的单晶叶片[10]。

合金成分设计60年代初,S.T.Wlodek 和E.W.Ross 在IN100镍基铸造合金中发现了被称为 相的片状硬质化合物,造成蠕变断裂性能的急剧恶化。

当时引起冶金界很大的反响。

其后又在其他复杂合金化的合金中发现类似的 相、 相、Laves 相等,按其晶格结构统称为T CP 相。

为了解决这一问题,纷纷从成分上加以改进。

60年代中期,Woodyatt 等人基于电子空穴理论发展出相计算(PHACOM P)方法。

这就是合金设计的最初阶段[6]。

后来,日本的渡边力藏也发表了类似的计算方法,使合金成分设计推进一步。

随着高温合金合金化理论的发展,人们在研制新合金时逐渐摆脱了过去缺乏理论指导的 烹调 式方法,而是自觉地综合考虑热强性、组织稳定性、抗氧化及热腐蚀性、铸造工艺性以及密度、成本等因素,通过电子计算机计算出符合要求的成分方案,经过筛选后,将有限的方案实施试验验证,得出最满意的合金成分。

70年代初,GE 公司P.Aldved 等人研制的性能很高的Rene 125合金就是一个成功的例子。

后来,在单晶合金研究中,成分设计方法得到进一步发展。

由于单晶合金成分和组织较为简单,故有可能设计出更精确的成分。

日本金属技术研究所太田芳雄等人提出的d 电子设计法是较为成熟的方法之一。

该方法对面心立方原子团(MNi 12Al 6)进行分子轨道计算,提出了估价所加入的各合金化元素的作用和性质的两个参数:一个是反映合金元素对共价键的贡献的原子间结合次数B 0,另一个是反映合金元素的电负性和原子半价综合效应的分子轨道d 能级M d 。