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高温合金材料应用航空发动机采用结构件技术

随着高温合金材料铸造工艺水平的不断提高,航空发动机的高温合金材料结构件出现了以铸代锻的发展趋势。这种铸件,如先进航空发动机带有77个小叶片的出口扩压器,形状和结构复杂,壁厚差别大,大部分要求无余量精铸,但其工作温度不高。以往采用铸锻工艺焊接组合件,材料利用率低,加工周期长,因而制造成本高。采用细晶铸造工艺可以解决这一难题。

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因此,高温合金材料采用细晶铸造工艺,制备细晶铸件,同时改善强度和塑性,高温合金材料对于现代航空航天发动机和先进燃气轮机热端部件和复杂结构件的制造具有非常重要的意义,这一技术的成功应用已导致现代航空发动机总重量的四分之一由铸件制造。


对成分已确定的高温合金材料,铸造时凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和晶粒尺寸的控制。高温合金材料在凝固过程中形成柱状晶和等轴晶,而它们的力学性能各不相同,因此晶粒形态的控制是凝固组织控制的首要任务,其次是晶粒尺寸控制。细小的等轴晶有利于高温合金中温力学性能的提高,增加形核速率是细化铸造晶粒的重要途径。高温合金材料细晶铸造工艺主要有三种,热控法、化学法和机械法。

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高温合金材料热控法小批试制过汽车用合金增压涡轮,浇注温度控制在1365℃~1380℃范围,即Tm(合金熔化温度)+25℃~Tm+40℃,模壳温度控制在1000℃。如果高温合金材料浇注温度超过下限,薄壁叶片充不满,而浇注温度超过上限,厚的部分会出现粗的等轴晶。同时,尽可能保持熔体过热温度低一些。最后获得整体增压涡轮细小等轴晶,晶粒度在2~5级。但组织中有一些细小分散的显微疏松,高温合金材料用热等静压处理可以基本消除。


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