本文關鍵詞：高溫合金整體葉輪鑄造技術的研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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V o. 25 N o 3 l , . June 2005

2005年 6月

JOURNAL OF A ERONAU

T ICAL MAT ER I LS A

高溫合金整體葉輪鑄造技術的研究進展
湯 鑫, 曹臘梅, 李愛蘭, 蓋其東, 劉發(fā)信
(北京航空材料研究院, 北京 100095) 摘要: 評述了高溫 合金整體葉輪鑄造技術的發(fā)展現(xiàn)狀, 介紹了高溫合金 整體葉輪鑄造合金材料的發(fā)展, 重點闡述了 高溫合金整體葉輪細晶 鑄造技術及雙性能整 體葉 輪鑄造 技術, 并 指出了 高溫 合金整 體葉 輪的 發(fā)展趨 勢及 應用前 景。 關鍵詞: 高溫合金; 整體葉輪; 鑄造技術; 細晶; 雙性能 中圖分類號: TG132 3+ 2 TG249 5 ; 文獻 標識碼: A 文章編號: 1005 5053( 2005) 03 0057 06

在發(fā)動機中, 高溫合金葉輪位于燃燒室和導向 器之后, 葉片必須工作于高溫腐蝕性燃氣環(huán)境中, 承 受高溫腐蝕性氣體的直接沖擊和因此帶來的極高的 熱應力和機械應力, 容易發(fā)生蠕變斷裂。此外, 葉輪 工作時, 轉數(shù)極高, 導致輪盤部位遭受巨大的機械應 力, 輪盤容易開裂。 早期, 葉輪的制造方法是將鍛造盤和鑄造葉片 通過機械加工然后裝配在一起。這種制造方法周期 長, 成本高, 裝配精度不易保證。為了降低葉輪的制 造成本, 20世紀 60年代末出現(xiàn)了將葉片和輪盤連 在一起整體鑄造的技術, 當時主要用作地面渦輪增 壓器葉輪。隨著鑄造工藝水平的提高, 整鑄技術擴 大應用到航空發(fā)動機上。目前 1500k 以下的小型 W 渦軸發(fā)動機廣泛采用軸向和徑向整體鑄造葉輪 ( 圖 1) 。這不僅降低了葉輪的制造成本, 而且避免了榫 頭裝配的應力
[ 1]

圖 1 各種發(fā)動機用整體鑄造葉輪 F ig 1 . Investm ent cast in teg ra l turb ine w hee ls

的, 其渦輪工作葉片同時承受高溫、 燃氣腐蝕、 離心 力、 彎曲應力、 熱應力、 振動和熱疲勞的作用, 因此要 求葉片除了應具有良好的抗氧化性、 耐腐蝕能力和 足夠高的強度外, 還應具有良好的機械疲勞、 熱疲勞 [ 2] 性能以及 足夠的塑性和沖擊韌 性 。而渦 輪盤部 分雖然工作溫度比工作葉片低, 但其應力條件異常 復雜, 輪轂和輻板等各部位所受應力、 溫度、 介質作 用程度不同, 因此對渦輪盤的基本性能要求為: 高的 屈服強度、 抗拉強度和塑性, 足夠的持久、 蠕變強度 和低循環(huán)疲勞強度, 良好的耐蝕性能和組織穩(wěn)定性。 基于對渦輪的工作葉片和渦輪盤的不同性能要 求, 大中型航空發(fā)動機的渦輪制造方法是將渦輪盤 和工作葉片分別單獨制造, 然后機械加工裝配在一 起形成渦輪。這種制造方法可以有針對性的將工作 葉片和渦輪盤選用不同的合金材料。針對渦輪葉片 的工作環(huán)境, 所選用的材料由早期的普通等軸晶合 金如 I 713C, IN713LC, I 100 B1900 I 738 IN792 N N , , N , , M ar M 200 M arM 246等, 發(fā)展到含較 高 Co, W, T a , , H , Re的定向凝 固高溫合 金如 PWA1422 Rene80 f , ,

。隨著鑄造技術和 高溫合金材料

的飛速發(fā)展, 人們已經(jīng)可以獲得所期望的特定顯微 組織的整鑄葉輪。

1 整體葉輪鑄造合金材料
隨著航空科學技術的進步和發(fā)展, 航空發(fā)動機 的性能不斷日益完善和提高, 正朝著高推重比、 高推 力和低油耗、 長使用壽命的方向發(fā)展。與十年前相 比, 航空發(fā)動機的功率提高了 25 , 推重比達到 ( 12 % ~ 15) 1 燃油消耗降低了 30 ~ 50 , 渦輪進口溫 , % % 度超過了 2000 。做為航空發(fā)動機核心部分的渦 輪 (工作葉片與渦輪盤 ), 它的工作條件是相當惡劣
收稿日期: 2004 03 02; 修訂日期: 2004 12 09 作者簡介: 湯鑫 ( 1965 ), 男, 高級工程師, ( E m a il) x in. tang @ b iam. ac cn .

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M 247 Rene125 CM 247LC 以 及單 晶合金 如 C SX , , M 2 CMSX 3 CM SX 4 PWA1480 PWA1484 CM SX 6 , , , , , , CM SX 10等。針對渦輪盤的工作環(huán)境, 所選用的材 料為變形高溫合金通過鍛造或鑄造高溫合金通過鑄 造或粉末冶金方法制造, 變形高溫合 金材料包括: A stroly AF2 1DA, R ene95 I 718 I 901 M 252 Re , , N , N , , ne41 Rene62 W aspaloy等, 鑄造渦輪盤高溫合金材 , , 料有 I 713C, I 713LC, GMR235 等, 粉末 渦輪盤材 N N 料 包 括: I 100 U700 I 713C M ar M 246 NASA N , , N , , TRW V I , TAZ 8A, B1900 I 718 W aspaloy Re A , N , , ne95 I 792等。 , N 在激烈的市場競爭過程中, 發(fā)動機的經(jīng)濟性越 來越為人們所關注, 為了降低制造成本, 目前小型渦 輪發(fā)動機基本上均采用整體鑄造葉輪, 即將葉片和 輪盤一次整體鑄造而成。這樣不但大大降低了葉輪 的制造成本, 而且在設計上也有許多優(yōu)點。 在目前先進的小型發(fā)動機上, 整體葉輪葉片的 極限 溫度 大 于 1000 , 轉 數(shù)超 過 100000rev /m in。 在這樣高的溫度和轉數(shù)條件下, 整體葉輪承受很高 的機械應力和熱應力, 容易造成葉片和輪轂斷裂。 為了解決這些問題, 人們除了不斷研究探索整 體葉輪新的鑄造工藝技術外, 也在同步研究強度和 承溫能力更高的新型合金材料。 20世紀 70~ 80年 代, 美國 H owm et公 司開發(fā) 成功了 基于 M arM 247 , I 792+ H f定向合金材料的 GX 細晶工藝。應用該 N 工藝可制造具有細晶輪轂的高溫合金整體葉輪, 大 幅度改善了整體葉輪輪轂抗開裂能力和葉片的承溫 能力, 可降低葉輪的設計 重量, 提高 葉輪的工作轉 數(shù), 延長葉輪的工作壽命。但是, 整體葉輪外圍的葉 片仍然是等軸晶組織。當這些等軸晶葉片在更高的 溫度下工作時, 由于蠕變、 熱疲勞和氧化, 通常容易 在晶界發(fā)生斷裂。因此, 如果將整體葉輪外圍的葉 片鑄造成平行于應力方向 ( 進氣邊和排氣 邊 ) 的柱 狀晶, 則可大大改善葉片的蠕變強度和抗熱疲勞性 能, 工作壽命長, 而且成本又明顯低于單個定向葉片 和鍛造盤 /粉 末盤通過 機械加工裝配形成的渦輪。 從而使得整體渦輪既具有優(yōu)良的工作性能, 又具有 優(yōu)越的經(jīng)濟性。為此, 美國于 20世紀 70年代開始, 大量開展了具有定向葉片和等軸細晶輪轂的整體葉 輪鑄 造 工 藝 研 究。 研 究 成 功 了 基 于 M arM 247 , CM 681定向合金材料的雙性能整體葉輪鑄造技術, 即整體葉輪的葉片為定向柱晶, 輪盤為等軸晶。

普通真空精密鑄造方法鑄造而成。這種普通鑄造的 整體葉輪在輪盤區(qū)域往往形成粗大晶粒, 而在輪盤 外圍的葉片區(qū)域又形成較細的等軸晶粒 (圖 2)。隨 著對燃氣渦輪發(fā)動機的工作效率越來越高的追求, 渦輪的進口溫度和轉數(shù)越來越高。葉輪承受很高的 機械應力和熱應力。因此普通鑄造葉輪已經(jīng)不能滿 足先進發(fā)動機的使用要求。

圖 2 普通鑄造葉輪 F ig 2 Conventiona l cast integ ral turb ine wheel .

為了解決這些問題, 人們除了不斷研究使用強 度和承溫能力更高的合金材料外, 整體葉輪的鑄造 工藝也在突飛猛進的發(fā)展。 首先, 為了解決整體葉輪輪盤晶粒粗大的問題, 國內(nèi)外從二十世紀七十末到八十年代末, 大量開展 了高溫合金整體葉輪細晶鑄造工藝的研究。輪盤晶 粒尺寸和形態(tài)可由普通鑄造的 4mm 以上的粗大樹 枝晶細化至 1 6~ 0 2mm 的均勻細小的等軸晶。大 幅度改善了葉輪輪盤在中低溫下 ( 輪盤的工作溫度 區(qū)間 ) 的拉伸、 持久性能特別是低周疲勞性能, 降低 了力學性能數(shù)據(jù)的分散度。 高溫合金整體葉輪細晶鑄造工藝方法可分為: 熱控法、 機械法和化學法。熱控法被認為是最簡單 實用的細晶技術, 而且最容易在普通鑄造工藝上加 以改進應用。它是通過降低合金的澆注溫度, 增大 合金凝固期間的金屬過冷度使結晶核心增多, 并縮 短合金凝固時間限制晶粒長大來獲得細晶鑄件。如 美國的 A iresearch公司在 生產(chǎn) M ar M 247軸 向細晶 葉輪時, 采用 1100 型殼溫度, 澆注過熱度控制在 22~ 28 , 獲得 的晶 粒度等 級為 ASTM 1 ~ 2 級
[ 2]

( 圖 3)。但這樣低的澆注溫度, 導致合金的流動性 很差, 對于整體葉輪這類復雜鑄件, 往往造成葉輪周 圍的薄壁葉片嚴重欠鑄, 鑄件容易形成疏松, 需要進 行熱等靜壓處理。并且過低的澆注溫度也容易將氧 化夾雜帶進鑄件。此外, 熱控法在使葉輪輪盤獲得 細晶粒的同時, 也使葉片獲得細晶粒。這樣的葉片 不能滿足高溫下的耐熱性要求, 因而熱控法細晶工 藝的應用受到了限制。

2 高溫合金整體葉輪細晶鑄造技術
在 20世紀 60年代末, 高溫合金整體葉輪采用

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國 GE 公司規(guī)定不允許采用這種細晶工藝方法。 20世紀 70~ 80年代末, 美國 H owm et公司開發(fā) 成功了 G rainex (簡稱 GX ) 和 M icrocast X ( 簡稱 MX) 專利細晶工藝。 GX 工藝 是第一代細晶工 藝, 屬于機械法細晶工藝, 它是在合金澆注和凝固過程 中使型殼正反旋轉, 破碎型殼壁上最初形成的枝晶 使之均勻分布于整個熔體中形成結晶核心, 使得晶 粒細化。此外, 從型殼中心到型殼壁的熱梯度得到 降低, 因此不管鑄件截面壁厚如何變化, 均能獲得均 勻細小的等軸晶, 晶粒度達到 ASTM M 9 ~ ASTM 2 級 ( 1 6~ 0 18mm )。但是, 型殼的正反旋轉容易使 鑄件產(chǎn)生疏松, 因此鑄件需要 進行熱等靜壓處 理。 由于 GX 工藝采 用了普通 澆注溫度 或較高的 過熱 度, 所以鑄件的純凈度高。相比之下, 熱控法細晶工 藝主要依賴于很低的澆注溫度, 容易卷入氧化夾雜。 MX 工藝是第二代細晶工藝, 它使金屬液的過 熱度控制在熔點以上大約 11 ( 20 ℉ ) , 然后澆注 到預熱的型殼 里。在澆注過 程中對金屬液 施加擾 動, 增加金屬液的面積與體積比, 結果加快了散熱速 率, 可使鑄件獲得接近鍛件一樣的晶粒組織, 晶粒度 達到 ASTM 3~ 5 級。但鑄 件需要進 行熱等靜 壓處 理。 幾種細晶工藝的晶粒組織見圖 4 力學性能見 , 表 1和表 2 。
[ 4] [ 5]

圖 3 M ar M 247合金熱控法細晶葉輪 F ig 3 A lloy M a rM 247 cast turbine w hee l by the r al con . m tro l fine grain process

化學法是通過加入孕育劑, 增加外來結晶核心 來使鑄件晶粒細化。鑄鐵和有色合金鑄件經(jīng)常采用 這種方法。對于高溫合金鑄件來說, 它是通過將細 化劑 (通常為金屬間化合物或硼化物 ) 直接加入到 合金液內(nèi)而使晶粒細 化
[ 3]

。由于高 溫合金鑄件的

熔煉澆注都在真空爐內(nèi)進行, 因此不太容易控制細 化劑的加入工藝, 且化學法細晶工藝還需依賴于較 低的澆注溫度。不同 牌號的合金需 要不同的細化 劑, 應用受到了限制。尤其嚴重的是細化劑的加入 容易帶進外來夾雜, 它是鑄件疲勞裂紋的根源 。 美

圖 4 H owm et公司不同鑄造工藝對整體渦 輪晶粒度的影響 F ig 4 E ffec t of casting process on the gra in size of tu rbine ro to rs( Produced by H o e t Co ) . wm .

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I 713LC 幾種鑄造工藝方法鑄造的整體葉輪的平均力學性能 N IN713LC turbine whee l average m echanica l properties Conventional cast process GX fine gra in process 35000 848 5. 1 8. 7 47 6. 0 Ther a l contro l fine grain process m 35000 917 6. 9 9. 4 97 1 . 15 0 .

T ab le 1

L o cyc le fatigue life (N f ) / cycles( 260 w T ensile /M Pa E longa tion /% 982 R A /% /152 M Pa Stress rupture life /h E longa tion /%

)

20000 848 6. 1 10. 5 109. 8 5. 2

表 2 718合金不同工藝方法的力學性能 T ab le 2 A lloy 718 m echanical properties room temperature tensile properties Room temperature tensile properties So rt
b

/M Pa

0. 2

/M Pa E l/% 31. 8 15. 1 16. 3 16. 7

L o cyc le fatigue life w R. A /% 48. 1 23. 1 28. 9 31. 2 M X a lloy 718 is 2 ti es tha t of m conv entiona l cast+ H IP m ate rials

H igh cyc le fatigue life M X alloy 718 is 5 to 14 ti es longer than that o f m conventiona l cast+ H IP m ate rials

W rought M icrocast X Conv entiona l cast+ 1120 H IP Conventiona l cast + 1165 H IP

1317 1146 970 1017

1056 942 831 891

我國北京航空材料研 究院于 20 世紀 90年代 末, 研究成功了高溫合金整體葉輪鑄型攪動細晶鑄 造工藝, 它是通過鑄型的正反旋轉攪動細化葉輪輪 盤的晶粒, 晶 粒度達 到 ASTM 2 ~ 3 級 ( 圖 5 )。與 H owm et公司的 GX 細晶工藝比較 ( 圖 6), 鑄型攪動 細晶工藝的晶粒細化效果優(yōu)于 GX 工藝。

久和蠕變性能, 細晶粒組織在中低溫下具有好的拉 伸性能和低周疲勞性能。而葉輪上的葉片工作在高 溫區(qū), 輪盤則工作于中低溫區(qū)。因此, 如果能將葉輪 的葉片鑄造成平行于葉片進氣邊和排氣邊的定向柱 晶, 輪盤鑄造成細小等軸晶, 那么這樣的葉輪就能充 分適應葉片工作時的受力特點和在高溫下工作的要 求, 也能使輪盤盡可能地承受葉輪高轉速帶來的機 械應力, 工作壽命長, 同時大大降低了制造成本。 然而葉片都是表面積大而體積小, 這種結構特 點促進葉片金屬快速散熱而凝固, 在激冷作用下形 成等軸晶。依據(jù)鑄件凝固理論和金屬結晶原理, 金 屬凝固和晶體生長方向是熱傳輸?shù)姆捶较颉槭谷~ 片最終形成定向柱晶組織, 必須抑制葉片因本身結 構特點而產(chǎn)生的激冷作用, 通過在葉片的端部周邊 安置冷卻材料或裝置, 在葉片的上下端提供外來熱 源和絕熱材料, 精確控制葉片凝固時的溫度梯度和 散熱方向, 使葉片由端部沿徑向向葉輪中心凝固結 晶, 直至最終凝固成定向柱晶, 見美國專利 4813470 ( 圖 7)。由于葉輪型殼結構的原因, 在葉輪輪盤成 型部位有相對較多的金屬, 在該部位生長的晶粒是 各向同性的, 最終可形成等軸晶。如果葉片凝固過

圖 5 鑄型攪動細晶葉輪 F ig 5 M ou ld ag itation fine gra in turb ine w hee l .

圖 6 GX 細晶葉輪 F ig 6 GX fine g ra in turbine wheel .

程中, 向輪盤部位施加目前已成熟的鑄型攪動細晶 工藝, 則可使輪盤獲得等軸細晶
[ 6]

。

美國 H owm et公司為英國 Ro lls Royce公司 250

3 雙性能整體葉輪鑄造技術
眾所周知, 定向柱晶組織在高溫下具有好的持

Ⅳ型發(fā)動機研制成功了雙性能一級葉輪, 合金材料 為 M ar M 247和 C 681 葉片為定向柱晶, 輪盤為等 M , 軸細晶二元組織 (圖 8)
[ 7]

。

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力方向的柱狀晶 (圖 9) 。同時探索了高溫合金定向 葉片 /細晶盤雙性能整體葉輪凝固工藝, 初步研究得 到了葉片為定向柱晶、 輪盤為等軸晶的雙性能整體 葉輪 ( 圖 10), 但與雙性能整體葉輪的真正應用還有 很大的技術差距。

1 Ce ra ic shells 2 m ou ld cav ity m ; ; ch ill b lock ; 4 shield 7 8 heat e le en t 9 ; , m ;

3 m ould asse ble m 5, 6 therma l crysta l se lec

coo ling w ate r passages ; vibra to r 10 ;

tor or m e tal seed; 11 m o lten m eta l 圖 7 生產(chǎn)雙性能葉輪的葉片定 向凝固和 輪盤振動細 晶 裝置 F ig 7 The casting appara tus fo r producing double property . integral turbine wheels 圖 9 K418B 合金控晶鑄造整體葉輪 F ig 9 A lloy K 418B control gra in cast turb ine w hee l .

圖 8 M arM 247合金 定向柱晶葉 片 /細晶 盤雙性能整 體 葉輪晶粒組織 F ig 8 DS /GX castM a rM 247 whee l from the final casting . tr ia l sho ing directiona lly or iented g ra in in a irfo ils w 圖 10 定向葉片 /等軸晶盤雙性能整體葉輪 F ig 10 . D up lex property integ ra l turbine w hee ls w ith DS co lum n b lades and equ iaxed hub

與國外相比, 我國在雙性能整體葉輪鑄造技術研究 領域內(nèi)尚處于起步階段。而美國早在七十年代就開 始并一直研究雙性能整體葉輪鑄造 工藝及設備技 術。 Genera lM o tors A llied S ig na,l Ford M o tor A lli , , son Eng ine 以及 H owm et等公司都在此領域進行了 系列探索與研究, 并研制出了與之有關的成套工藝 技術和專門工藝設備, 申請了一系列專利。用專門 設備和相關工藝方法已經(jīng)能夠鑄造 出葉片是柱狀 晶、 輪盤為等軸晶的雙性能整體葉輪。 北京航空材料研究院在鑄型攪動細晶工藝的基 礎上, 研究成功 了高 溫合金 整體 葉輪 控晶鑄 造工 藝
[ 8]

4 結束語
定向 細晶盤雙性能整鑄葉輪代表目前整體葉 輪鑄造技術的最高水平, 我國應強研究與應用工作。 由于我國已經(jīng)掌握輪盤鑄型攪動細晶技術和葉片定 向凝固技術, 因此該項目的技術關鍵主要是將鑄型 攪動細晶技術與葉片定向凝固技術有機的結合, 并 在工藝裝備上加以實現(xiàn)。為此, 雙性能葉輪先進合 金材料的研究、 工藝探索和工藝裝備的研制工作應 該先行�？梢灶A期, 雙性能整鑄葉輪鑄造技術的研 究成功, 將為我國低成本高性能航空發(fā)動機的研制

, 通過鑄型攪動細化 葉輪輪盤晶粒, 并控制葉

片的徑向凝固溫度梯度, 使葉片根部獲得平行于應

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提供技術儲備, 并將我國高溫合金鑄造技術提升到 一個新水平。 參考文獻:
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D evelopm ent of Casting Technology for Superalloy Integral TurbineW heels
TANG X in , CAO L a m e, i L I A i lan , GA I Q i dong , L I F a x in U

( B eijing Institute of A eronautica lM ater ia ls Be ijing 100095, Ch ina) ,

Abstrac t The deve lopm en t of invest ent casting process for integ ra l turbine whee ls using h ighe r strength nicke l base superalloy w as : m rev ie ed in th is paper T he prog ress in m ater ia ls for integra lly cast turb ine whee ls was presented. F ine g rain casting process and the w . duplex properties casting fo r supera lloy integra l turb ine whee ls we re introduced empha tica lly In the end, the deve lopm ent trends and . app lication prospect o f superalloy integ ra l turb ine w hee ls w ere proposed. K ey word s supe ra lloy in teg ra l turb ine w hee ; casting process fine g ra in; double properties : ; l ;



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