北京航空材料研究院铸造高温合金及工艺发展40年

简要介绍了航空材料研究院４０年来在铸造高温合金及工艺包括熔炼，铸造，定向凝固及细晶铸造等领域取得的成就。     

测定定向柱晶高温合金可铸性的方法

定向柱晶铸造高温合金的应用越来越广,合金的可铸性成为各个公司都十分关心的一个问题,并且提出了合金可铸性的评定标准。 衡量定向凝固柱晶高温合金可铸性的一个重要方面是其产生纵向晶界裂纹的倾向性。对于用作薄壁空心涡轮叶片的合金来说,这是一个重要的参数。美国GE公司制定了一种定向凝固合金可铸性的试验方法和标准,简述如下:     

定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展

北京航空材料研究所对定向凝固及单晶高温合金及工艺进行了多年卓有成效的研究,建立了先进的定向凝固设备,发展了定向凝固工艺,研制了一系列高性能定向和单晶高温合金;对合金设计、热处理、合金元素的作用进行了分析研究,为确定合适的化学成分及选定最佳工艺参数提供了可靠的基础;进行了精密铸造工艺的研究,发展了无余量铸造技术和用于定向及单晶的陶瓷型壳和型芯,并用此发展了多种航空定向和单晶叶片,特别是研制和批生产了用于先进航空发动机的DZ22无余量具有复杂内冷通道的空心涡轮叶片。现在,其主要目标是研制无余量的单晶空心叶片及其他单晶课题。     

TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状

TiAl金属间化合物具有低密度、高弹性模量、高比强度、良好的抗高温蠕变和抗高温氧化性能,被认为是极具潜力的高温结构材料,在航空航天及汽车发动机领域具有广阔的应用前景,特别是经定向凝固得到的TiAl合金在综合力学性能方面可得到良好的配合。然而,TiAl合金熔体由于具有高的化学活性,会与所有已知的耐火材料发生不同程度的化学反应,限制了其定向凝固铸件的生产和应用。首先回顾了TiAl合金的熔炼技术,然后对TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状进行了总结,在此基础上提出了一种新型的TiAl合金定向凝固用BaZrO3耐火材料,并展望了其今后的发展。     

微量元素对定向凝固IN738合金的影响(DZ38G合金的发展)

一、引言 由于高温合金广泛地应用于燃汽轮机中,它必须具有好的高温强度,好的抗热腐蚀和氧化性能及合适的显微结构稳定性,以便在长期使用后保持较好的性能。早在1970年,中国就生产和研究了普通铸造IN738高温合金。此后,通过在IN738合金中严格控制偏析及合理增加Al+Ti含量研制出一种高温下具有更高强度的普通铸造M38G镍基高温合金。在这些研究工作的基础上,又研制了具有较好综合性能的新型定向凝固镍基高温合金DZ38G。 Zr、P、B在定向凝固IN738合金中对显微结构和持久性能的影响已在前面的文章中揭示和介绍。在严格控制这些微量元素到尽可能低的水平,特别是不含Zr和少于5ppm的P之后,非平衡共晶(γ+γ’)减少,偏析大量降低,因而提高了持久性能。这就意味着严格控制Zr、P、B含量可使显微结构均匀和稳定,可在定向凝固     

工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展

工业燃气轮机具有热效率高、污染低等突出优点,成为未来发电机组与大型水面舰船动力的首选设备。铸造高温合金是工业燃气轮机涡轮叶片等热端部件的关键材料,其性能和制备水平在一定程度上决定了先进燃气轮机的功率、效率、寿命等性能。本文重点综述了工业燃气轮机及其涡轮叶片用铸造高温合金材料的研究及应用现状,并对工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金及涡轮叶片制造技术的发展趋势进行了展望。未来,先进定向凝固,“材料基因工程”等技术将逐渐应用到工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金的研制中;此外,先进工业燃气轮机上定向/单晶高温合金的应用将越来越广泛。     

DD3铸造单晶镍基高温合金的拉伸性能

多晶的铸造镍基高温合金,尽管采用了固溶强化、γ′相质点沉淀强化和碳化物晶界强化等途径来提高合金的强度,但在高温下,由于合金的晶界强度低于晶内强度,因此常常在晶界处首先形成裂纹并导致断裂。 定向凝固技术能使晶体按〈001〉方向顺序生长,得到的柱晶组织基本不含横向晶界,因而大幅度地提高了合金的各项纵向力学性能。用定向凝固技术,并通过螺旋选择     

硼在Ni_3Al基合金IC－6中的作用

研究了硼对定向凝固Ｎｉ３Ａｌ基合金ＩＣ－６铸造性能和高温持久性能的影响。试验结果表明：适当增加硼含量可以减少疏松的产生，降低合金的裂纹倾向性，但硼含量增加过多会使合金中析出条状的硼化物，降低合金的高温持久性能。     

硼在Ni3Al基合金IC—6中的作用

研究了硼对定向凝固Ｎｉ３Ａｌ基合金ＩＣ－６铸造性能和高温持久性能的影响。试验结果表明：适当增加硼含量可以减少疏松的产生，降低合金的裂纹倾向性，但硼含量增加过多会使合金中析出条状的硼化物，降低合金的高温持久性能。     

微量元素对定向凝固IN738合金的影响(基础研究)

一、引言 定向凝固镍基高温合金在使用温度范围内具有良好的持久、蠕变强度及塑性性能,比一般的铸造高温合金具有更好的抗断裂性能。目前,高温合金的使用温度可达它们的绝对温标熔点的0.8倍。这似乎已达到已知高温合金可使用温度范围的顶点。 镍基高温合金的发展可大致分为两部分。第一阶段是1960年以前为迎合设计需要而发展起来一些合金。随后年代的第二阶段是工艺的改进,作为改善材料性能的主要贡献手段,例如,定向凝固及单晶技术、快速凝固、机械合金化等等。 在高温合金产品中,主要的问题是限制铸锭尺寸和显著降低机械性能的偏析问题,随着合金化程度的增加,这个问题变得日益严重。因此,寻找一种有效降低偏析的方法成为主要的目标。一些新的工艺方法如粉末冶金、快速凝固、电子束重熔及高温下延长均匀化时间等可以     

凝固模式对定向凝固TiAl-Nb合金组织和力学性能影响

目的 研究凝固模式对TiAl-Nb合金定向凝固组织和力学性能的影响。方法 利用Bridgman定向凝固方法制备了单一β、亚包晶、过包晶以及单一α相4种凝固模式的TiAl-Nb合金,对显微组织进行观察,并进行室、高温拉伸性能测试及断口形貌分析。结果 单一β凝固模式柱状晶明显倾斜,其他凝固模式合金的柱状晶挺直且宽度较均匀,除单一α凝固合金中片层方向近似与定向凝固方向平行外,其他模式凝固合金中大部分片层方向与定向凝固方向呈近45°夹角;拉伸性能结果显示,亚包晶合金室温和高温抗拉强度最高,分别为429和483 MPa,单一α相合金室温和高温抗拉强度最小,分别为281和204 MPa。结论 亚包晶合金其室温和高温拉伸性能均高于其他凝固模式的合金性能,但定向凝固试样制备过程中产生Y2O3颗粒夹杂,导致拉伸试验过程容易形成应力集中,致使定向凝固TiAl-Nb合金较早发生断裂。     

高温合金定向凝固技术研究进展

首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。     

单晶叶片推动了性能的改进

先进的铸造工艺包括在较高铸造温度下具有较大稳定性的新型陶瓷芯和改进的高温合金。采用这种新工艺可以实现对新型发动机用更为复杂和耐用零件的设计。燃气涡轮发动机用单晶叶片与等轴或定向凝固     

高温合金真空电磁铸造补缩数学模型的建立与应用

为了提高高温合金母合金锭的内在质量,本文提出了高温合金的真空电磁铸造技术,并建立了表示高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的数学模型。利用该模型比较了K417高温合金真空电磁铸造和真空熔铸两种铸造方法凝固过程中液态金属补缩能力的强弱,并通过试验验证了数学模型计算结果的准确性。试验结果表明:在高温合金凝固过程中施加60 A5、0 Hz的电磁搅拌,可以大幅提高液态金属的补缩能力,使高温合金母合金锭中心缩松和缩孔的比率从54%降低到33%,因而大幅提高了高温合金母合金锭的利用率。     

Nb-Si基超高温合金的定向凝固研究进展

主要论述水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固、电子束定向凝固、光悬浮定向凝固、整体定向凝固和电磁冷坩埚定向凝固5种定向凝固的基本原理,优缺点以及研究定向凝固Nb-Si基超高温合金所取得的进展。现阶段,基本不用Czochralski定向凝固和电子束定向凝固研究Nb-Si基超高温合金了;到目前为止,光悬浮定向凝固是制备研究Nb-Si基超高温合金的主要手段;整体定向凝固制备的Nb-Si基超高温合金的断裂韧性已达20MPa·m1/2左右;电磁冷坩埚定向凝固制备的Nb-Si基超高温合金的高温拉伸强度已达200MPa(1250℃)。     

中小尺寸高温合金件的无接触电磁成形

介绍了一种新型金属熔体无接触电磁成形技术及其原理,该技术将电磁铸造技术与高梯度定向凝固技术融为一体,对于熔化和成形活泼金属、高温合金难熔金属和高纯金属等中小尺寸构件具有重要的研究与应用价值。另外,从电磁场和凝固过程角度讨论了中小尺寸高温合金样件的电磁成形过程,探讨了工艺参数对成形过程的影响规律,并获得了表面质量较好的高温合金样法。     

重型燃气轮机定向结晶叶片的材料与制造工艺

重型燃气轮机是我国能源发展战略中的关键装备. 在高温和热腐蚀环境下工作的透平叶片,是重型燃机的核心热端部件.与航空发动机叶片比较,先进重型燃气轮机透平叶片,在高温热腐蚀环境下长期工作,而且叶片的尺寸较大,因此,对叶片使用的高温合金材料及其制造工艺均提出了特殊的要求.用于燃气轮机叶片的抗热腐蚀高温合金材料,经历了从多晶到定向和单晶的发展历程,其合金在设计中具有高Cr,高Ti,Al比等几个显著区别于航空发动机叶片材料的特征.兼顾高强度、优异抗热腐蚀性能及长期组织和性能稳定性的燃气轮机用铸造高温合金的研发,因此更具挑战.定向凝固是重型燃气轮机用大型定向结晶叶片制造工艺中最为关键的技术之一.介绍了先进定向凝固技术——高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术的发展,对比了不同定向凝固工艺对高温合金典型组织及力学性能的影响,并简单介绍了我国近期在大型定向结晶叶片研制方面的进展.     

定向凝固TiAl合金成分−组织−性能研究进展

TiAl合金由于其低密度和高比强度,在航空材料中展现出良好的应用前景。通过定向凝固控制TiAl合金晶体取向,有助于大幅提升合金高温性能和服役温度,促进TiAl合金在新一代航空发动机上的应用。综述了近年来TiAl合金定向凝固的研究方法和成分?组织?性能关系的研究进展,总结了国内外定向凝固TiAl合金的主要研究单位及研究主题,简要介绍了定向凝固方法与模壳材料的应用情况。从合金成分角度,分析并总结了α、β相稳定元素和其他常见元素对定向凝固组织和性能的作用;从力学性能角度,介绍了定向凝固高Nb?TiAl合金在高温拉伸、蠕变、高周疲劳性能上的优势及相关机理;从定向凝固工艺角度,归纳了生长速率和温度梯度对合金凝固路径、片层取向及宏观、微观偏析的影响。展望了定向凝固TiAl合金的未来发展方向。     

高温TiAl基合金定向凝固的研究现状

高温TiAl基合金在航空航天领域减重和升高使用温度方面是极具发展潜力的高性能结构材料。介绍了高温TiAl基合金定向凝固的研究现状和发展趋势,阐述了提高定向凝固高温TiAl基合金使用性能的几种方法,主要包括:利用高Nb合金化提高合金的使用温度和高温强度,使用冷坩埚定向凝固来避免氧化物陶瓷坩埚带来的合金污染,采用籽晶法/非籽晶法控制定向凝固片层取向以提高力学性能。     

合金成分对定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的影响

为研究定向凝固柱晶高温合金薄壁铸件凝固过程的热裂纹形成倾向,采用定向凝固空心薄壁管状试样,考察了Ti,Zr,Hf,Al和B等元素对定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的影响;采用SEM、断口分析及DSC方法,分析了热裂的晶界宏观形态.结果表明:随着Ti含量的增加,γ/γ′共晶增多,尺寸增大,合金凝固温度范围变大,定向合金的热裂倾向性严重;Zr元素含量增加,促成共晶形成,合金出现热裂纹;Hf含量的变化对合金的热裂没有影响;Al,B含量增加,微观组织无明显变化,但合金凝固温度范围变大,导致定向凝固合金出现热裂.