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1、第20卷第1期航空材料学报Vol.20,No.12000年3月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSMarch2000铸造高温合金发展的回顾与展望112陈荣章王罗宝李建华(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:
2、合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片中图分类号:TG24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730℃提高到90年代的[1]1677℃,推重比从大约3提高到10,这一巨大进展固然离不开先进的设计思
3、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140MPa/100h条件下的承温能力从750℃左右提高到当前的1200℃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HS-21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金Hastelloy-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
4、,HS-21完全可以代替Hastelloy-B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作[2,3]叶片的历史。之后,又谨慎地对X-40,GMR-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,Waspaloy,ЭИ437Б,ЭИ617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(
5、1937-),男,研究员56航空材料学报第20卷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:In100,B1900,ЖС6К,MAR-M200,In713、图1中、美、英各时期的典型铸造高温合金及其性能水平G64,MAR-M002,ReneFig.1Temperaturecapabilityoftypicalcastingsup
6、eralloys[6]125等,使铸造高温合金indifferentperiod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[5]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。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[5]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。
7、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[2]事件之一。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,
