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高温合金材料铸造高压涡轮叶片和整流支柱优势

高温合金材料从20世纪40年代问世以来,通过不断地加入更多的固溶强化和沉淀强化元素,使承温能力每年平均提高10K左右。使用温度达到850℃后,则因热加工成型困难,很难进一步再提高。20世纪50年代中期,真空熔炼技术的使用,使精密铸造涡轮叶片用高温合金得到发展,合金中可以加入更多的强化元素,增加相强化效果,同时形成碳化物或硼化物骨架强化,而不必考虑合金化给热加工带来的困难,从而使高温合金的使用温度达到950℃左右。然而,用普通方法得到的等轴晶铸造合金,其高温性能的提高已接近极限。合金化程度的大幅度提高,不仅加重了合金的凝固偏析,而且增大了。

电热合金

采用定向凝固工艺制备柱晶和单晶高温合金,采用定向凝固工艺,制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶高温合金(DS或DZ合金),或者制备消除所有晶界的单晶高温合金(SC或DD合金),从而实现强度和塑性同时获得明显改善。


等轴晶高温合金在高温,通常在等强温度以上,进行拉伸试验或蠕变试验,往往在垂直于应力轴的横向晶界产生裂纹并扩展,最后造成断裂。这主要是由于这些晶界受力最大,加之晶界原子排列不规则,缺陷较多,在高温下成为薄弱区域而引起的。作者领导的研究小组,最近多次观察了等轴晶变形高温合金和铸造高温合金的高温拉伸和持久试样断口。

电热合金

新研制的燃气轮机用变形高温合金涡轮叶片材料GH4413合金和铸造高温合金导向叶片材料K452合金分别在850℃和900℃的拉伸断裂试样纵剖面组织,可以清楚看出,试样沿晶断裂,并在断口附近垂直或接近垂直应力轴方向的晶界上产生的多条微裂纹。我们对高温合金的蠕变断裂或持久断裂试样的金相观察也发现同样规律。


先进燃气轮机高压涡轮叶片和整流支柱用铸造高温合金K444和K446的持久断裂试样纵剖面组织分别见图7-2(a)和(b)。沿晶界断裂及断口附近垂直或接近垂直于主应力轴的沿晶微裂纹清晰可见。航空发动机涡轮叶片的故障分析表明,大多数叶片中的裂纹都存在于横向晶界上。断裂叶片的裂纹往往都从横向晶界开始,并沿横向晶界扩展断裂。因此,采用定向凝固工艺,消除横向晶界的有害影响,就成为一种必然的发展趋势。


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