高压涡轮叶片定向凝固技术

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1、RENE150定向凝固高温合金涡轮叶片摘要：政府和工业界4年合作项目，属于MATE先进涡轮发动机材料项目，经改善铸造和加工方法的镍基高温合金RENE150定向凝固转子零件已经实施用于发动机测试。该部件制造用于CF6-50高压一级涡轮转子叶片，本项目的目标是：（1）表明在推力可调、先进的商用CF6-50发动机（提升燃油效率1.45%sfc）上提高运行温度的能力；（2）改善叶片铸造工艺，该工艺允许叶片在保证质量的前提下不超过原RENE80叶片制造成本的1.5倍。本项目分成八个任务：TASK1：包括涡轮叶片

2、的设计和分析;TASK2：包括合金制备和评估、机匣/核心机选择、初步铸造参数设计;TASK3：包括RENE150涡轮叶片外部涂层系统的适配和选择;TASK4：确定RENE150涡轮叶片铸造工艺，包括试制铸造过程和项目铸造成本分析。TASK5：包括涡轮叶片成品制造，该叶片用于部件试验；TASK6：包括用于发动机试车的成品叶片制造；TASK7：包括地面发动机RENE150涡轮叶片成品测试；TASK8：地面发动机测试结果分析。第二册文件是TASK5核心机试车结果和最后两个任务的结论。RENE150高压涡轮叶

3、片已成功完成投产型DS铸造，有涂层和没有涂层两种叶片机械和物理性能符合设计要求，叶片已完成加速持久试车，结论在第二册中分别给出。1概述本项目的任务是扩大先进的DS涡轮叶片合金Rene150在CF6-50发动机HPT一级涡轮叶片的应用范围。本次扩展应用将许可RENE150提升运行温度（超过RENE80）以期实现商用发动机CF6-50提升1.45%燃油效率。本项目将通过改进铸造工艺，使得该叶片制造成本能够在不超过Rene80叶片1.5倍的前提下，完成批量生产。项目开始阶段使用的是1977年9月的RENE1

4、50性能数据（见表1），初步设计分析确定RENE150材料应用于CF6-50叶片上时抗温度、载荷和应力的性能。该分析表明RENE150可应用于CF6-50一级高压涡轮叶片设计。通过研究空气冷却模式，确定其对叶片温度、应力和寿命的影响，并改进叶片冷却结构（对完成发动机试车验证是必须的）。相对RENE80叶片，RENE150涡轮叶片冷却性能改进后实现提升平均使用温度56℃（100℉）。去除一排进气边冷却孔，如图1所示，在叶片底部使用一个节流板控制进入叶片空气量。与初始设计活动并行开展RENE150合金的采

5、购和验证工作以满足整个项目需求。共采购1.6吨定型RENE150合金。该铸件已完成基于GE标准的测试验证，包括化学分析，可铸性、拉伸和应力断裂测试。四个陶瓷芯材料和四个面层/陶瓷涂层组合被评估后用于叶片铸造过程。基于Rene150合金溶液可铸性和稳定性选用SR-731芯体。基于表面粗糙度和温度特性，选用氧化铝涂层/莫来石陶瓷涂层组合系统，用于GE的快速自动化多功能DS铸造过程。叶片制造需要的陶瓷模具已完成制造，初步铸造试验已经完成。但模具需要在叶片伸根区域进行改造，如图2所示，通过增加附加的金属厚度用

6、于阻止铸造过程中的裂纹产生。该附加材料最终将通过电火花工艺移除以获取所需的尺寸。使用改造后的铸造工具做了20次最终设计铸造试验，已完成晶相结构、荧光、目视检查和X光检查。没有遇到大的问题，因此，铸造过程的预制已完成。基于80%通过了初步铸造检查，本工艺被定为部件和发动机试验用叶片铸造工艺。本项目已完成成本分析，基于最终定型工艺和可接受标准，成本测算的是定型状态的RENE150涡轮叶片。在合理可获得的叶片标本下，估计RENE150涡轮叶片成本约为Rene80等轴晶叶片的1.5倍。用于部件试验和发动机试验

7、的RENE150涡轮叶片使用RAM-DS工艺。铸造工序已完成，打冷却孔、焊接叶尖盖板，最终机加工也已完成，最终检查符合图纸要求。伸根区域的附加材料已通过电火花加工去除。铸造合格率是可接受的，打冷却孔时没有出现问题。大量的损耗是由于不正确的冷却孔定位，经验表明是使用了较软的工具导致。这种损耗在整个制造过程中是不可接受的。电镀铝NiCrAlHf工艺最初选用于外部涂层，该涂层包括三种电镀层包括Cr和Ni，以及包覆渗工艺增加Hf和Al。通过评估其对叶片保护能力，表明该涂层适用于Rene150叶片；然而，基于G

8、E正在开展的平行项目结果，一种替换涂层被用于测试叶片制造过程。叶片制造的同时，进行机械性能和部件测试，以最大保障该叶片在发动机试验中的安全性和成功率。这些试验将是寿命预测和可靠性预测的基础。进行HCF试验为部件试验和数据对比提供一个极限设置的基础。生成的古德曼图表被用于建立与发动机叶片设计和性能相关的HCF能力要求。叶片部件试验包括：应变分布、频率和振型试验用于确定涡轮叶片对各种激振模型的响应。部件HCF试验建立叶片疲劳强度与试棒数据的关系，以及确定叶片