铸造高温合金发展的回顾与展望_陈荣章

第20卷第1期2000年3月
航空材料学报
JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALS
Vol.20,No.1
M arch2000
铸造高温合金发展的回顾与展望
陈荣章1王罗宝1李建华2
(1.北京航空材料研究院,北京100095; 2.中国人民大学,北京100872)
摘要:回顾了20世纪40年代以来铸造高温合金发展中的若干重大事件:叶片以铸代锻;真空
熔炼技术;定向凝固及单晶合金;合金成分设计;Ni3Al基铸造高温合金;合金凝固过程数值
模拟;细晶铸造。

展望了铸造高温合金21世纪的发展:单晶高温合金仍然是最重要的涡轮叶
片材料;继续靠工艺的发展挖掘合金潜力;发展有希望的替代材料。

关键词:合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片
中图分类号:T G24文献标识码:A文章编号:1005-5053(2000)01-0055-07
自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来,铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。

众所周知,航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的主要动力,后者是前者的重要保证。

占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。

半个世纪以来,航空发动机涡轮前温度从40年代的730e提高到90年代的1677e,推重比从大约3提高到10[1],这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层,但是,高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。

40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140M Pa/100h条件下的承温能力从750e左右提高到当前的1200e左右(图1),是十分令人鼓舞的巨大成就。

在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程,不能不提到如下几件使人难忘的重大事件。

叶片以铸代锻
1943年,美国GE公司为其J-33航空发动机选用了钴基合金H S-21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金H astelloy-B。

当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性,宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。

结果表明, HS-21完全可以代替H astelloy-B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史[2,3]。

之后,又谨慎地对X-40,GM R-235等铸造合金进行类似的考核研究,使铸造叶片的应用有所扩大。

随着发动机推力的增大,叶片尺寸增大,当时发现叶片的主要失效模式从蠕变断裂转变为疲劳断裂,而铸造叶片由于晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,加之当时出现了性能较高的沉淀硬化型镍基锻造高温合金,例如Nimonic80A, Udimet500,W aspaloy, 437 , 617等,而且锻造技术有所进步,这就使设计师又把叶片选
收稿日期:1999-09-20
作者简介:陈荣章(1937-),男,研究员
图1 中、美、英各时期的典型铸造高温合金及其性能水平F ig.1 T emperature capabilit y of typical casting super alloys in different perio d 材的重点放在锻造合金上。

到60年代初,由于发动机
工作温度提高,要求叶片合
金的热强性能进一步提高,
使高温合金合金化程度不断
提高,于是出现了复杂合金
化与压力加工困难的矛盾,
并且越来越尖锐,加之这一
时期铸造技术进步(多层壳
型、真空浇注、晶粒控制
等),使合金性能和叶片质
量提高,出现了大批复杂合
金化的高性能合金如:In
100,B1900,
6 ,M AR -M 200,
In 713、G64,
MAR -M002,Rene 125等[6],使铸造高温合金
叶片的应用越来越广泛,而
且都是用在燃气涡轮中温度最高的高压涡轮部位。

原先比较谨慎的英国、前苏联的发动机也相继大量应用铸造叶片。

我国第一个铸造高温合金是北京航空材料研究院于1958年研制的K401合金,用作WP6发动机的导向叶片。

我国第一个铸造涡轮工作叶片是60年代初在黎明发动机厂研制的WP -6S 发动机一级涡轮叶片(K406合金),通过了台架试车[5]。

70年代中期,由中科院金属研究所研制成功的K417镍基铸造高温合金制作涡轮叶片用于WP -7型发动机,投入生产,成为我国最先服役于航线的铸造涡轮叶片合金[5]。

70年代之后,由于定向凝固和单晶合金的出现,使得所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片,从此确立了铸造高温合金叶片的稳固地位。

真空熔炼技术
50年代初,由F.D.Daramava 发明的真空熔炼技术堪称高温合金发展史上最重大的事件之一[2]。

无论对铸造合金还是锻造合金,真空熔炼可以大大减少有害于合金性能的杂质含量,有效地控制活性元素,从而精确控制合金的总体成分,还可以直接浇注成复杂形状的铸件。

当时发明的真空炉,虽然容量只有几公斤,但是人们将永远铭记它,它是当今容量达60t 的真空感应炉的先驱,也是当今遍布大小冶金企业的种类繁多的真空炉(如:真空感应炉、真空电弧炉、真空自耗炉、定向凝固炉)的先驱。

从那时起,铸造高温合金的发展又跨入一个新时期,陆续出现一大批真空熔炼的复杂合金化高性能合金,如:IN100,B1900,M M002,Rene 125,M M246, 6Å,K419等等。

我国第一台真空熔炼炉是中科院金属研究所于50年代末建立的容量为5kg 的真空感应炉,对新合金的研56 航 空 材 料 学 报 第20卷
究起了重大作用[5]。

随着真空熔炼技术的不断进步,合金的洁净度越来越高,美国CM 公司发展的优质级高温合金熔炼技术使合金的杂质含量降低到很低水平,例如,对40个小炉(容量~150kg)和3个大炉(容量~3850kg )熔炼的第三代单晶合金CM SX -10的母
合金统计:S,~0.0001%;[N]和[O],~0.0001%;Si,<0.01[4]。

显然,母合
金洁净度提高对铸件性能是极为有利的。

定向凝固及单晶合金
60年代初期,美国PW 公司在研究M AR -M 200合金过程中发现该合金虽然高温强度很高,但中温性能尤其是中温塑性很低,其蠕变过程不出现第三阶段,涡轮叶片在工作中发生无预兆的断裂。

另外在其他合金中也发现类似的中温/塑性低谷0问题。

为解决此问题,人们从成分和工艺方面采取多种措施。

其中, F.L.Varsnyder 发明的高温合金定向凝固技术是一个成功的范例,并由此导致铸造高温合金进入一个崭新的发展阶段。

定向凝固使合金的结晶方向平行于零件的主应力轴,基本消除了垂直于应力轴的横向晶界,并且具有[001]取向的低模量。

在MAR -M 200合金基础上研制成功的定向凝固高温合金PWA 1422不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金约高5倍的热疲劳性能,在先进航空发动机上获得广泛应用[1]。

其后,包括我国在内的各国冶金工作者都相继发展了这一技术,涌现出一大批高性能的定向合金,如:Rene 150(美),CM 247LC (美),MAR -M 002(英), 6 (俄),DZ22(中),DZ4(中)等,不仅广泛用于航空发动机,而且用于地面燃气轮机。

目前How met 公司售出的地面燃气轮机叶片长度可达305~635mm [4]。

图2 铸造涡轮叶片的发展 左:等轴晶;中:定向凝固柱晶;右:单晶Fig.2 Casting superalloy turbine blades left-conv entional cast;middle-directional solidification;r ight-single crystal 在定向凝固合金基础上发展出的完全
消除晶界的单晶高温合金,使合金热强性
能有进一步提高(约30e )。

70年代末,
由于合金化理论和热处理工艺的突破,单
晶合金进入一个蓬勃发展的时期,相继出
现承温能力分别提高约30e 的第一代、
第二代、第三代单晶合金(图2)[1,4]。

英
国RR 公司近年研制的第四代单晶合金
RR3010的承温能力比定向柱晶合金约高
100e 。

目前几乎所有先进航空发动机都
以采用单晶叶片为特色,正在研制中的推
重比为10的发动机F119(美),F120
(美),GE90(美),EJ2000(英、德、
意、西),M88-2(法),P2000(俄)以
及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。

美国的H owmet 公司、GE 公司、PCC 公司、Allison 公司以及英国RR 公司,法国的CNECMA 公司,俄罗斯的SALUT 发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件,品57第1期 铸造高温合金发展的回顾与展望
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种包括涡轮叶片、导向叶片、叶片内外环、喷嘴扇形段、封严块、燃油喷嘴等,用于军用和商用飞机、坦克、舰船、工业燃气轮机、导弹、火箭、航天飞机等。

美国H ow met公司及其在英、法、日等国的分公司都拥有大批生产单晶零件的能力,已为各国40多种发动机生产了120多种单晶零件,仅在1988~1991年期间,就售出160万件。

目前的年产量已超过30万件[4]。

80年代末以来,北京航空材料研究院逐年小批量生产供设计试验用的单晶叶片[10]。

合金成分设计
60年代初,S.T.Wlodek和E.W.Ross在IN100镍基铸造合金中发现了被称为R相的片状硬质化合物,造成蠕变断裂性能的急剧恶化。

当时引起冶金界很大的反响。

其后又在其他复杂合金化的合金中发现类似的R相、L相、Laves相等,按其晶格结构统称为T CP相。

为了解决这一问题,纷纷从成分上加以改进。

60年代中期,Woodyatt等人基于电子空穴理论发展出相计算(PHACOM P)方法。

这就是合金设计的最初阶段[6]。

后来,日本的渡边力藏也发表了类似的计算方法,使合金成分设计推进一步。

随着高温合金合金化理论的发展,人们在研制新合金时逐渐摆脱了过去缺乏理论指导的/烹调0式方法,而是自觉地综合考虑热强性、组织稳定性、抗氧化及热腐蚀性、铸造工艺性以及密度、成本等因素,通过电子计算机计算出符合要求的成分方案,经过筛选后,将有限的方案实施试验验证,得出最满意的合金成分。

70年代初,GE公司P.Aldved等人研制的性能很高的Rene125合金就是一个成功的例子。

后来,在单晶合金研究中,成分设计方法得到进一步发展。

由于单晶合金成分和组织较为简单,故有可能设计出更精确的成分。

日本金属技术研究所太田芳雄等人提出的d电子设计法是较为成熟的方法之一。

该方法对面心立方原子团(MNi12Al6)进行分子轨道计算,提出了估价所加入的各合金化元素的作用和性质的两个参数:一个是反映合金元素对共价键的贡献的原子间结合次数B c0,另一个是反映合金元素的电负性和原子半价综合效应的分子轨道d能级M d。

按照每个元素的B c0和M d值,计算出设定成分的平均B0t和平均M d,再分别计算合金的凝固温度范围、热处理窗口、C c 相体积分数、C和C c的成分以及TCP相析出倾向等参数,最后确定综合性能最好且相的稳定性也好的合金成分。

此方法理论性强,精确度高,周期短,成本低。

已用此方法设计出性能与第二代单晶合金PWA1484相当的TU T9L和TU T95单晶合金[4]。

90年代初,中科院金属研究所在与日本丰桥大学合作研究中,也应用d电子设计法研制出高性能的抗腐蚀单晶合金。

北京航空材料研究院在研究第二代单晶合金DD6的过程中,参照国外有关方法实施计算机辅助设计,取得明显效果[10]。

Ni3Al基铸造合金
早在60年代,国内外就开始对从高温合金诞生的金属间化合物(Ni3Al,NiAl, T i3Al,TiAl)为基的合金进行了广泛的研究,因为这些化合物具有诱人的低密度、高模量和良好的抗氧化性,认为是有发展前景的替换材料。

为了使这类材料进入工程化,从成分和工艺方面做了许许多多的工作,直到80年代才在Ni3Al和T i3Al方面取得重要进展。

北京航空材料研究院采用传统的高温合金定向凝固技术研究成功铸造Ni3Al基合金IC-6,
该合金的1100e 持久强度超过了同类合金EX -7(美)和 -4 (俄)的水平,其1100e /100h 的持久强度达到了90MPa,室温拉伸强度达到了1200MPa,伸长率达14%,现已用于小批生产某航空发动机Ò级导向叶片,这标志着我国在金属间化合物的研究取得重要进展[9,10]。

美国GE 公司早在80年代就研制出NiAl 基单晶叶片,并进行了试车,但因该类合金的室温本质脆性以及高温蠕变强度低的问题未获得解决,无法实现工程应用。

细晶铸造
70年代中期,美国How met 公司发展了高温合金细晶铸造法,从而在合金凝固过程的晶粒控制方面又走出了新路子。

最先发展的是控制热参数的Grain -X 法,然后又发展出机械搅拌的M icrocast -X 法,所得到的铸件晶粒尺寸可达ASTM No.35(0.125~0.0625mm)。

加上热等静压(H IP)处理和其后热处理,使合金的中、低温拉伸、持久、疲劳性能大为改善,尤其是低周疲劳明显提高,例如,按M icrocast -X 法铸造的718合金,承温能力比普通铸造718合金高约30e ,600e 的低周疲劳性能提高两倍以上,其屈服强度大致与变形718合金相当。

目前生产的细晶铸件有几十种,除了航空发动机的叶片和整体转子外,还有航空、航天发动机的机匣等大型铸件,最大直径为1500mm,已经部分取代原先是铸件和锻件组合的焊接件。

北京航空材料研究院于80年代末设计和建立了我国第一台细晶铸造炉,开展了热控法和搅拌法细晶铸造工艺研究,成功地制成了K418合金的低压涡轮叶片和整体涡轮转子等零件[8]。

此外,冶金部钢铁研究总院和西北工业大学等单位也分别进行了细晶铸造技术研究,取得了重要进展。

凝固过程数值模拟
对合金凝固过程的深入认识以及计算机技术的迅速发展为发展铸造高温合金零件的凝固过程数值模拟技术创造了条件。

80年代以来,国外广泛开展单晶叶片定向凝固数值模拟研究,取得了重要进展,它可对叶片凝固过程的温度场进行三维的几十万甚至上百万单元的计算分析。

在此基础上开展了显微组织及冶金缺陷预测研究,如,研究铸态C c 相尺寸、枝晶间距、晶体取向、冶金缺陷(等轴晶团、雀斑、缩孔、热裂等),这些研究为确定工艺参数、分析和优化工艺方案、预防缺陷、提高质量、降低成本提供了重要依据。

所研制的软件,如M agm a,Procast 等已经商品化,对优质单晶叶片的研究和生产起到重要作用。

国外一些研究者已将数值模拟技术用于NiAl 单晶叶片和第三代单晶合金叶片的研制中。

西北工业大学曾于80年代开展过类叶片铸件定向凝固二维计算机模拟以及单晶高温合金凝固过程二维数值模拟研究。

北京航空材料研究院也开展了类似的研究,而且从90年代起将试验研究与数值计算相结合,在国内率先采用了具有90年代国际先进水平的大型有限元软件Procast,对复杂形体的某发动机空心叶片进行凝固过程的三维温度场数值计算,建立了三维实体模型,并研究了工艺参数的影响,取得了重要进展[10]。

综上所述可以看出,大半个世纪以来,铸造高温合金的发展已取得长足的进步,为航空发动机的发展做出了巨大贡献。

然而,飞跃发展的高科技时代将继续对冶金工作者提出新的更高要求。

航空和地面燃气涡轮要求提高工作温度(~2100K ),增大推力(~40000kgf),提高推重比(>10),延长寿命(>10000h),这就使高温合金的先进性、可59第1期 铸造高温合金发展的回顾与展望
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靠性、耐久性、工艺性以及经济性继续面临巨大的挑战。

回顾过去,展望未来,21世纪高温合金将如何发展,这里提出几点粗浅的看法。

单晶合金仍将是主导材料
从20世纪80年代起,单晶高温合金便进入蓬勃发展的阶段,性能不断提高,应用越来越广。

近年来出现的第四代单晶合金RR3010的承温能力达到1180e,用在英国RR公司最新的Trent发动机上。

新的单晶合金成分中Re的加入以及H f,Y,La,Ru等元素的合理应用使合金的持久性能和抗环境性能有明显提高,应用前景更加美好。

目前单晶合金的研究方兴未艾,美国能源部于1993年提出的目前正在实施的一项庞大的发展高效燃气涡轮的ATS计划中,把单晶叶片制造技术列为重要项目,由多家公司、大学和国家试验室对高性能单晶合金CM SX-4,PWA1484,Rene N5,CM SX-10的性能及应用进行深入研究,并提出研制低硫单晶合金,用于大型燃气涡轮发电机[7]。

20世纪70年代以来,各国都对其他系列的高温材料进行过研究,如:定向共晶合金、难熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料等。

但是,这些材料都因某些关键问题未获解决而不能付诸实际应用。

迄今还没有一类材料能像高温合金这样具有良好的综合性能,在一系列的竞争合金中,从技术和经济的实践上看,单晶合金是当之无愧的胜利者[3]。

在21世纪,通过优化的合金设计,加上定向工艺的继续进步,将研究出超过现有合金强度和承温能力的单晶高温合金。

尽管还会有更加激烈的竞争,但是可以相信,在21世纪的相当长时期内,单晶合金仍将是燃气涡轮发动机最重要的主导材料。

继续依靠工艺发展
在高温合金发展过程中,曾经遇到过严重的问题,但都通过冶金和工艺发展而加以解决,并提高了合金性能。

实践证明,铸造高温合金的发展离不开工艺这个好/搭档0,未来的发展仍将是这样。

这里所说的工艺包括直接影响零件性能的熔炼和成形技术[6]。

在上述美国能源部的ATS计划中[7],对单晶合金及叶片的熔炼工艺、凝固条件、陶瓷壳型、陶瓷型芯、模型用蜡、热处理、热等静压等方面都进行了研究,力求提高合金和零件性能。

在熔炼方面,要求高纯度熔炼,减少金属液与壳型、型芯之间的反应,精确控制活性元素。

发展单晶叶片凝固过程数值模拟技术,优化工艺参数。

计算机控制自动化生产过程,控制枝晶尺寸和致密度,减少缺陷,提高质量,降低成本,进一步发展熔模铸造工艺,提高陶瓷壳型和型芯的性能,研制冷效达600e以上的高效冷却单晶叶片(如Cast-cool叶片)。

热等静压扩散连接组合件也将是生产多合金涡轮转子和大型叶片的发展方向。

与镍基高温合金伴随发展的定向凝固工艺应用于其他高温材料,有可能使它们的承温能力远远超过目前可达到的水平[3]。

随着科技的进步,也许在21世纪会出现富有突破性的工艺方法,使高温合金或其他高温材料的性能提高到新的高度。

有希望的替代材料
人们早就考虑到,高温合金的使用温度正在接近极限,从长远看,必须寻找能耐更高温度的材料代替高温合金,以满足发展更高效率燃气涡轮发动机的需要。

于是从70年代起,纷纷开展其他类型高温材料的研究,包括:定向共晶合金、氧化物弥散强化合金、难
熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料等。

但是,由于这些合金的某些关键问题未获解决,因而不能进入工程应用[3]。

在高温强度上具有明显优势的定向共晶合金已被证明可作发动机叶片,但其横向性能和剪切强度差且制造成本过高,使之未能投入应用。

金属间化合物具有的长程有序结构,对高温强度极为有益,使人们一度致力于这类合金的研究。

铸造Ni 3Al 基合金已取得很大进展,1100e /100h 的持久强度达90M Pa 以上,但其工艺性和耐腐蚀性有待改善。

其他的NiAl 系、T iAl 系铸造合金仍在开发中。

在强度、密度、表面稳定性、来源和成本上十分诱人的陶瓷材料,也被人们做过很多研究,几乎已经接近应用于发动机,但是,它们固有的脆性仍然是致命的弱点。

近年来,人们注意到并把研究重点放在陶瓷基复合材料上,并已取得进展,这类材料很可能有乐观的前景。

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Review and prospect on developments of cast superalloys
CHEN Rong -zhang 1 WANG Luo -bao 1 LI Jian -hua 2
(1.Institute of Aeronautical M aterials,Beijing 100095,China; 2.R enmin U niversit y of China,Beijing 100872,China)
Abstract:A review on the 20th centur y development history of casting superalloys is presented.Sev eral main events,vacuum melting,directionally solidified and sing le crystal superalloy ,alloy design,N i 3A-l based casting alloys,numerical simulation technique and fine grain casting are described.F urthermore,so me prospects on the developments of cast super alloy in the 21th century ar e proposed.
Key words:alloy dev elo pment;casting superalloy ;gas turbine blade 61第1期 铸造高温合金发展的回顾与展望。