高温合金双性能整体叶盘铸造技术

图８ 热处理制度与定向柱晶Ｍ且ｒ－Ｍ２４７合金
７６０℃拉伸强度
Ｆｉｇ．８
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉ锄ｓ ｏｎ ＤＳ Ｍａｒ－Ｍ２４７ ａｌｌｏｙ ７６０℃ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
（Ａ）１１８０℃／２ｈ＋１２３０℃／３ｈ，ＡＣ＋１１００℃／４ｈ， ＡＣ＋８７０℃／２０ｈ，ＡＣ。
（Ｂ）１１８５℃ＨＩＰ＋１１８５‘℃／２ｈ，ＡＣ＋８７０℃／２０ｈ， ＡＣ。
（Ｃ）１２３０℃／２ｈ，ＡＣ＋９８０℃／５ｈ＋８７０℃／２０ｈ， ＡＣ。
对比测试Ｍａｒ．Ｍ２４７合金定向柱晶和等轴晶试 样分别经上述三种制度热处理后的力学性能，包括 室温和７６０℃拉伸性能，７６０和９８０℃持久性能，初 步选择出双性能整体叶盘的热处理制度。
综合对比Ｍａｒ—Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５两种合金的定向柱 晶性能和等轴晶性能发现，Ｄｚｌ２５合金高温力学性能 不如Ｍａ卜Ｍ２４７合金。考虑到Ｄｚｌ２５合金主要用于铸 造涡轮工作叶片，用于铸造整体叶盘尚未见报道。而 Ｍａ卜Ｍ２４７合金除广泛用于铸造定向凝固涡轮工作叶 片外，在西方国家还广泛用于铸造整体叶盘，并且被美 国ＨＯＷＭＥＴ公司选为最基本的双性能合金材料。此 外，作为双性能叶盘的合金材料，为了提高叶盘的承温 能力，主要追求高温工作性能，因此初步选择Ｍａｒ－Ｍ２４７
Ｆｉｇ．５‘Ｌｏｗ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｆｉｎｅ ｇｍｉｎ Ｍａｒ－Ｍ２４７ ａｎｄ ＤＺｌ２５ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
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航空材料学报
第２６卷
合金；在低应变量的情况下，细晶铸造Ｍａ卜Ｍ２４７合 金的低周疲劳性能优于细晶铸造Ｄｚｌ２５合金。此 外，从低周疲劳的测试结果发现，两种合金在达到同 样变形量的情况下，Ｍａｒ－Ｍ２４７比Ｄｚｌ２５需要更大 的应力，这也说明Ｍａｒ—Ｍ２４７比Ｄｚｌ２５的强度高，但 塑性不如ＤＺｌ２５。
ｔａｎｇ＠ｂｉａｍ．ａｃ．ｃｎｏ
万方数据
金材料，该合金被美国ＨＯｗＭＥＴ公司选作最基本 的双性能合金材料。除ＩＮ７１３ＬＣ合金外，Ｍａｒ－Ｍ２４７ 合金是铸造整体叶盘使用最广泛的材料。Ｍａｒ－ Ｍ２４７是第一代定向合金材料，最早是为Ｇａｒｒｅｔｔ公 司的ＴＦＥ７３１—３涡轮风扇发动机实心高压涡轮叶片 开发的，采用定向凝固技术铸造，取代采用ＩＮｌ００合 金铸造的空心涡轮叶片，适合于铸造１０９３℃以下工 作的燃气涡轮铸件¨。。后来发现该合金比其他等 轴晶合金具有更高的中温和高温等轴晶性能，尤其 是低周疲劳性能，因此也被广泛用于铸造１０００℃左 右工作的整体叶盘。
Ｄｏｕｂｌｅ—ｐｒｏｐｅｎｉｅｓ ｉｎｔｅｇｒ８ｌ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ ｏｆ ｄｉｆｋｒｅｎｔ ｐｏｕｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｃｈｅｍｅ
第３期
高温合金双性能整体叶盘铸造技术
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表２双性能整体叶盘浇注试验方案
Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｏｕｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ— ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎｔｅｇｍｌ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ
（１）尽量保持铸型清洁； （２）浇注后，铸型温度应高于金属熔化温度，把 脱离出来的晶粒熔化掉； （３）严格的单向散热，保持足够的柱状晶凝固 界面的热梯度，把热流控制在一个方向； （４）避免液态金属的对流、搅拌和振动，阻止凝 固界面前方的晶粒游离。 因此在采用常规垂直抽拉法（ＨＲｓ）铸造定向 凝固涡轮叶片时，壳型底部开口，底部直接与水冷结 晶器接触，叶片柱晶在垂直方向顺序生长成为柱状 晶。因此，组合定向叶片模组时，底部采用一个平整 光滑薄蜡板，将叶片和蜡板垂直组合并和浇口杯相 连。在模组涂完最后一层后，将底部的壳型层去掉， ’然后脱蜡焙烧即可得到上下开口的定向凝固壳型。 整体叶盘的结构不同于常规定向凝固涡轮叶 片。整体叶盘的结构复杂，几十个叶片位于轮盘的 四周。为了使轮盘周围的几十个叶片获得径向柱状 晶，叶片必须实施径向方向的定向凝固，使叶片径向 方向获得最大的热梯度，而其他方向的热梯度必须 最小。最理想的是叶片凝固过程中，所有热量从叶
铸型搅动参数分为转数凡和转动时间ｒ。根据 高温合金铸型搅动细晶工艺的研究成果，转数，尼越 高，晶粒细化效果越好。浇注试验时，从最低转数Ｋ 以上，通过从低往高逐步试验的办法来确定。试验 方案如表２所示，浇注的双性能整体叶盘晶粒组织 如图６所示。从图６可以看出：
万方数据
Ｆｉｇ．６
图６不同试验方案铸造的双性能整体叶盘９４ຫໍສະໝຸດ 航空材料学报第２６卷
轴的方向与热流方向一致的晶粒生长更快，所以 ００１方向成为柱状晶的择优取向。由于热梯度随着 柱状晶的生长而减小，降至一定数值以下时，在固相 界面前沿残留的液相中形成新的等轴晶带，所以柱 状晶会停止长大，柱状晶向等轴晶过渡。
由此可知，要满足柱状晶生长的定向凝固条件， 首先，要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳层。 凝固壳层的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离并为 柱状晶生长提供基础。该条件可通过各种激冷措施 达到；其次，要确保凝固壳层中的晶粒按既定方向通 过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织。同时 为使柱状晶纵向生长不受限制并且在组织中不夹杂 有异向晶粒，固－液界面前方不应存在生核和晶粒游 离现象，一般采取如下措施：
２吾芒－ｓ∞３．；∞
Ｔｅｍｐｅｒａｍｒｃ，℃，Ｓｔ燃ｓ，ＭＰａ
图４ 细晶铸造Ｍ盯－Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５合金中高温持 久寿命
Ｆｉｇ．４
Ｓｔ聆ｓｓ－ｍｐｔｕｒｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｆｉｎｅ ｇｍｉｎ Ｍａｒ．Ｍ２４７ ａｎｄ ＤＺｌ２５ ｓｐｅｃｉｍｅｎ８
万方数据
ＴＯｔａＩ ｓ仃ａｉｎ
图５ 细晶铸造Ｍａ卜Ｍ２４７和ＤＺｌ２５合金低周疲劳 寿命
细晶铸造Ｍａ卜Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５合金在不同温度 的拉伸性能如图３。不同温度和应力下的持久寿命 如图４。７００℃低周疲劳性能如图５。
万方数据
第３期
高温合金双性能整体叶盘铸造技术
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１ 研究过程及方法
１．１ 双性能整体叶盘合金材料的选择 定向／细晶双性能铸造新技术不能单靠合金的
发展或单靠工艺的发展，必须将合金和工艺结合起 来考虑，选择同时具备优良定向柱晶和等轴晶性能 的合金。
在美国，从普通铸造整体叶盘、Ｇｘ细晶工艺整 体叶盘到双性能整体叶盘，广泛采用Ｍａｒ—Ｍ２４７合
收稿日期：２００６ｍ１－３０；修订日期：２００６＿０４＿０５ 作者简介：汤鑫（１９６５一）男，高级工程师，（Ｅ．ｍａｉｌ）ｘｉｎ．
片外端流出来——径向热流方式。因此特别设计了 能使叶片凝固过程中获得径向温度梯度的试验装 置。
在叶片定向凝周过程中，采用铸型搅动细晶工 艺技术，对轮盘施加铸型搅动，机械破碎凝固过程中 形成的枝晶使轮盘获得细晶粒。 １．３双性能整体叶盘热处理
根据参考文献［３，５，６，７］的研究成果，本研究 的Ｍａｒ－Ｍ２４７合金双性能整体叶盘热处理选择如下 三种热处理制度：
此外，Ｄｚｌ２５合金是我国目前性能水平最高的 定向凝固镍基高温合金，具有良好的中、高温综合性 能和优异的热疲劳性能。适合于铸造１０００℃以下 工作的燃气涡轮转子叶片和１０５０℃以下工作的导 向叶片以及其他高温零件。由于该合金主要是为定 向凝固涡轮转子叶片和导向叶片开发的，基本没有 合金的等轴晶性能。因此研究过程中，对比研究了 Ｍａｒ＿Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５合金定向柱晶和等轴晶的力学 性能，最后选定一种同时具有良好定向柱晶和等轴 晶性能的合金作为双性能合金材料。
两种试验合金的化学成分示于表１。 １．２双性能整体叶盘铸造工艺方法
根据铸件凝固理论Ｈ１，熔融金属浇人陶瓷壳型 中，在铸型壁上因局部过冷而产生固相核心，从而形 成细小等轴晶的激冷区。由于浇注时，熔融金属要 经过充分过热，所以整个铸件激冷区不会扩大，凝固 是在剩余熔融区与激冷区之间的热流动而进行的， 并长成柱状晶。在激冷区的等轴晶当中，一次枝晶
制措施和浇注工艺参数以及热处理制度对双性能整体叶盘力学性能的影响。结果表明，当浇注过热度△ｒ＝１６０—
２９０℃，铸型搅动转数ｎ＝Ｋ＋２７０～Ｋ＋３００（ｒｐｍ）时，整体叶盘叶片为定向柱晶组织、轮盘为等轴晶组织，初步获得
双性能叶盘的热处理制度为１１８０℃／２ｈ＋１２３０℃／３ｈ，ＡＣ＋１１００℃／４ｈ，ＡＣ＋８７０℃／２０ｈ，Ａｃ。
２试验结果与讨论
２．１合金材料的力学性能 ２．１．１ Ｍａｒ－Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５两种合金的定向柱晶性 能
Ｍａｒ＿Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５两种合金定向柱晶不同温 度的拉伸性能如图１，不同温度和应力下的持久性 能如图２。
从图１和２可以看出，Ｍａｒ—Ｍ２４７合金的定向 柱晶性能优于Ｄｚｌ２５合金。． ２．１．２ Ｍａｒ－Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５合金的等轴晶性能
ＤＺｌ２５ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
由图３看出，除了室温下的抗拉强度以Ｄｚｌ２５ 合金略高以外，细晶铸造Ｍａｒ－Ｍ２４７合金在室温一 ８５０℃温度范围内的屈服强度和抗拉强度明显高于细 晶铸造Ｄｚｌ２５合金。但Ｍａｒ．Ｍ２４７合金的拉伸塑性 则明显不如Ｄｚｌ２５合金。
由图４看出，细晶铸造Ｍａ卜Ｍ２４７合金在７６０℃ 下的持久寿命明显不如细晶铸造Ｄｚｌ２５合金。但 Ｍａ卜Ｍ２４７合金在９８０℃下的持久寿命则明显高于 ＤＺｌ２５合金。
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Ｆｉｇ．１ Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ＤＳ Ｍ８ｒ—Ｍ２４７ ａｎｄ ＤＳ ＤＺｌ２５ ｓｐｅｃｉｍｅｎ８
Ｔｅｍｐｃｒａｔｕｒｃ，℃／Ｓ廿ｅｓｓ，ＭＰａ
图２ Ｍ盯－Ｍ２４７和Ｄｚｌ２５合金定向柱晶持久寿命 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｅ８ｓ－ｍｐｔｕｒｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ＤＳ Ｍ盯－Ｍ２４７ ａｎｄ ＤＳ
由图５可知，在高应变量的情况下，细晶铸造 Ｄｚｌ２５合金的低周疲劳性能优于细晶铸造Ｍａｒ－Ｍ２４７