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热控法制备细晶合金材料优势和特点


合金材料对于中温条件工作的零件,无论静止件还是转动件,合金材料采用细晶铸造工艺制备是很适宜的。因为在这种温度下,零件承受的主要载荷不是蠕变,而是低周疲劳和瞬时拉伸,所以许多小型发动机的叶轮都采用细晶铸造工艺制造。


在国产细晶铸造真空炉上,用热控法已制备出K418合金细晶叶片,晶粒度达到ASTM 3~5级。用铸型搅动法在普通铸造温度下获得了整体涡轮,其幅板轮毂部位的晶粒度可达ASTM 11.5~ASTM 3级。低周疲劳寿命至少提高3倍,普通精铸试样的晶粒直径达几个毫米,而细晶铸造试样晶粒直径为0.10~0.18mm,晶粒形态为各向同性的等轴晶,而普通精铸表现为粗大枝晶或柱状晶。最新研制的K446合金热控法细晶工艺和普通精铸工艺制备试样的晶粒尺寸对比,由于晶粒细化,800℃,294MPa条件下的持久时间平均值由粗晶的383.8小时,提高至474.5h时,持久延伸率的平均值由8.5%提高至12.8%。

电热合金


合金材料粗晶工艺为:浇注温度1450℃,模壳温度960℃。热控法细晶工艺为:浇注温度1375℃,模壳温度960℃,细晶铸造工艺,特别是热控法,由于浇铸温度较低,凝固速率和冷却速率较快,因而显微疏松较多,往往需要采用热等静压处理来消除疏松,提高合金致密度,使成分和组织均匀,同时,使力学性能波动减小。铸造镍基高温合金K403广泛用作航空发动机涡轮导向叶片以及一些发动机的低压涡轮叶片。


通过对合金材料多年应用发现,这个合金材料铸态使用或经1210℃固溶处理后使用,表现出良好的高温强度,但塑性和中温力学性能,特别是750℃下的持久强度太低。曾经发现K403低压一级涡轮叶片试车时发生叶片断裂故障,原因之一是由于普通精密铸造叶片枝晶组织粗大,叶片塑性和抗冲击性能差所引起的[48]。采用细晶铸造,改善铸件在中、低温使用条件的力学性能,特别是低周疲劳性能是一种有效的措施。


给出了热控法制备的细晶合金材料在800℃的瞬时拉伸性能和750℃~800℃的持久性能。普通精铸合金在750℃,645MPa条件下持久寿命仅69h,持久延伸率才1.2%。经1180℃,4h固溶处理和900℃,16h时效,持久寿命提高了2.2倍,塑性提高1倍。但仍然远远不及细晶合金的持久时间337~409h和持久塑性3.9%~6.6%。同时,细晶铸造试样在800℃瞬时拉伸强度和塑性显示出明显的优势。

电热合金

合金材料铸件使用量最大,约占现代航空发动机铸件总量的3/4。国内用热控法已制成先进涡扇航空发动机出口扩压器,其上带有88个小叶片,晶粒度为ASTM 3~4级。采用热等静压处理致密化,消除疏松并达到成分均匀。同时,对热处理工艺作相应变动,细晶K4169合金持久性能和瞬时拉伸性能。可见,室温拉伸性能和650℃持久性能全面好于普通粗晶材料,实现了强韧化。


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