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航空发动机合金材料采用传统铸锻工艺引起严重偏析

合金材料应用于航空发动机和燃气轮机用涡轮盘和压气机盘,航空发动机合金材料通常采用传统的铸锻工艺进行生产。随着航空发动机推力的不断增大,要求涡轮盘的使用温度和高温强度不断提高,因而,涡轮盘合金中合金元素的加入量愈来愈多。而合金元素的增多给热加工和力学性能带来一连串难以解决的问题。

电热合金

航空发动机合金材料偏析加重,而且随着锭型不断增大,凝固偏析更加严重。Nb、Ti和间隙原子的偏析系数可达3~5以上,偏析造成成分不均匀和显微组织不均匀,从而引起力学性能不均匀。因此,铸造加锻造工艺生产的涡轮盘常常带有树枝状偏析。因而不同部位力学性能波动大,而且这种微观偏析不能通过锻造加热处理完全消除。


更有甚者是高合金化大型铸锭的宏观偏析倾向增大。点状偏析和白斑就是典型的宏观偏析。作者等研制的铁基高温合金GH2135属中等合金化水平合金,在生产涡轮盘初期,曾经发现过点状偏析,低倍检查在90方或涡轮盘坯上发现有深灰色或黑色斑点,高倍观察是TiC和M3B2相聚集区。点状偏析使GH2135合金持久性能明显降低。白斑也是一种低倍缺陷,经腐蚀后呈亮白色,其中溶质元素含量比基体低,也明显降低力学性能。

电热合金

航空发动机合金材料初熔温度因偏析严重而降低,而相固溶温度因合金元素增多而提高,这样就使热加工温度范围愈来愈窄,锻造开坯十分困难,有些合金甚至不可能锻造。如IN100合金强度很高,但不能锻造成型,而用真空精密铸造的方法不允许生产涡轮盘,因为这类盘件不可避免的含有偏析、显微疏松等缺陷而不安全和不可靠。


航空发动机合金材料用铸锻法生产的涡轮盘、压气机盘等零件,往往晶粒尺寸较粗大,而且轮毂与轮缘因变形量不一样,造成晶粒尺寸不一样。晶粒尺寸粗大降低低周疲劳等涡轮盘必须具备的力学性能。采用粉末冶金或喷射成型工艺制备高温合金涡轮盘等零件可以解决上述问题。


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