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高温合金材料改善冷热疲劳性能和改善薄壁性能方法

从定向凝固和单晶高温合金材料的制备原理可知,定向柱晶和单晶合金中取向平行于凝固方向,也是主应力方向,从而使热疲劳抗力明显提高。与其他取向的弹性模量比较,由于取向弹性模量值最低,而且较等轴晶材料要低30%~ 35%。如作者等研制的精密高温取向室温纵向弹性模量E值为134GPa,横向弹性模量E值为155GPa。而同成分等轴晶合金为201GPa,纵向E值较等轴晶降低33%。

电热合金


高温合金材料在环境温度变化,合金材料要产生热膨胀或收缩,从而引起热应力,而式中为线膨胀系数,E为弹性模量,取向的低模量E值有助于热应力降低,从而使冷热疲劳性能提高。作者等研究了精密高温合金的冷热疲劳性能,温度变化范围1000℃25℃水冷,在1000℃保温100s,在水中冷却35s,经338次循环,精密高温合金的横向试样,其缺口方向为,裂纹长度为1.0mm,而精密高温合金纵向试样,缺口方向非,裂纹长度达3.3mm。


可见,具有最低弹性模量的取向抗冷热疲劳性能最好。同成分的高温合金MarM200、IN100、X-40、FSX-414和X-41,其定向凝固状态的热疲劳性能较普通等轴晶铸造状态明显优异。先进航空发动机和燃气轮机中广泛使用定向凝固空心气冷涡轮叶片,冷热疲劳性能大幅度提高,对这类叶片寿命的延长十分有利。

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高温合金材料改善薄壁性能方法

高温合金材料制成高温涡轮叶片等零件,叶片的排气边,特别是空心涡轮叶片的薄壁截面尺寸很小。而高温合金截面尺寸减小,蠕变断裂强度往往都要降低。等轴晶高温合金由于晶界面积大,特别是垂直于受力方向的横向晶界多,而且晶界穿透薄壁的机率较大,因而断裂强度降低最多。而单晶高温合金由于消除了晶界,蠕变断裂强度降低最小。


定向凝固柱晶合金消除了横向晶界,只有纵向晶界,晶界穿透薄壁的机率很小,蠕变断裂强度降低居中。高温合金试样厚度对持久寿命的影响,可以清楚说明,试样厚度由3.8mm降低至小于1mm,持久寿命不断降低,占厚截面寿命的百分数也不断降低。其中传统等轴晶降低最严重,而单晶合金降低的程度最小,柱状晶降低居中。


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