铸造高温合金发展的回顾与展望
高温合金材料的研究进展
高温合金材料的研究进展高温合金材料是指在高温环境下具有优异性能的金属材料，它们被广泛应用于航空、航天、能源等领域。
随着科学技术的快速发展，高温合金材料不断得到改良和升级，其性能有了显著提高。
本文将介绍高温合金材料的研究进展及其应用领域的最新成果。
一、高温合金材料的分类及特点高温合金材料主要分为镍基、钴基和铁基合金三类。
镍基合金的使用最为普遍，具有高温强度、耐蠕变和耐热腐蚀等特点，被广泛应用于航空、石化、电力等领域。
钴基合金具有高温强度和耐热腐蚀性能，是工作温度达到1100℃以上的超高温合金的首选材料。
铁基合金具有出色的高温强度和韧性，被广泛应用于发电、汽车发动机等领域。
二、高温合金材料的研究进展高温合金材料的研究分为两个方向：一是提高强度和耐用性，二是减轻材料的重量，同时保持性能不变或提升。
本节将介绍高温合金材料的研究进展。
1. 镍基合金的研究镍基合金是目前应用最为广泛的高温合金材料。
近年来，镍基合金的研究主要集中在提高其高温强度和抗氧化性能。
一些先进镍基合金已经实现了工作温度达到1200℃以上。
此外，材料的质量也得到了改良，比如采用更高纯度的材料制备、优化材料的成份和微观结构等方法。
2. 钴基合金的研究钴基合金是超高温合金的首选材料，因为它们可以在1100℃以上的高温环境下保持高强度和良好的韧性。
近年来，钴基合金的研究主要集中在改进其热稳定性和强度。
一些研究表明，添加Ti和Mo、纳米颗粒等元素或采用先进的材料制备技术可以明显提高钴基合金的稳定性和强度。
3. 铁基合金的研究铁基合金具有出色的高温强度和韧性，是发电、汽车发动机等领域的首选材料。
近年来，铁基合金的研究主要集中在提高其高温强度和减轻其重量。
研究表明，添加Mo、Cr等元素或采用先进的制备工艺可以明显提高铁基合金的强度和耐用性。
三、高温合金材料在航空航天、石化和能源领域的应用高温合金材料广泛应用于航空、航天、石化、电力等领域。
下面将着重介绍高温合金材料在航空、石化和能源领域的应用。
高温合金材料发展现状与趋势
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性能的材料。
这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。
随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。
本文旨在对高温合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。
一、高温合金材料的分类高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基高温合金。
其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。
镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应用于各种高温领域。
二、高温合金材料的发展现状高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。
在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。
20世纪50年代中期，美国医生·布拉斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。
70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。
随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。
三、高温合金材料的未来趋势1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。
单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。
2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。
复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。
纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。
3. 新型高温合金材料将不断发展新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。
高温合金细晶铸造新技术
高温合金细晶铸造新技术摘要：常规的铸造组织存在细等轴晶、柱状晶以及粗等轴晶三种晶区，高温合金细晶铸造新工艺能够确保晶粒度细小达到锻造晶粒度，而且分布于整个铸造界面区域内的均匀等轴晶组织，相比于传统的高温合金细晶铸造工艺，高温合金细晶铸造新技术具有超强的充型能力。
本文对高温合金细晶铸造技术进行综述，探讨高温合金细晶铸造技术的现状，并且对高温合金细晶铸造新技术进行探讨，展望高温合金细晶铸造技术的发展方向。
关键词：高温合金;细晶组织;铸造技术1.引言高温合金是以元素周期表中第八主族元素为基，含有适量合金元素，在高温下能够承受较高应力、较高的抗氧化性能和良好的组织稳定性的合金材料，从上世纪30年代开始，高温合金主要应用于航空发动机的热端部件制作，当前高温合金体系已经初步形成。
上世纪50年代高温合金逐渐形成了镍基、铁基、钴基三大高温合金体系，而且相继出现定向凝固、单晶、粉末冶金和机械合金化等工艺，高温合金细晶铸造技术也出现于该时期。
当前高温合金细晶铸造技术在能源、交通运输和化学工业等领域得到了广泛的应用，成为国民经济和国防建设具有重大战略意义的材料，2.高温合金细晶铸造研究发展锅炉燃烧器用的喷口（耐热合金）的恶劣工况对于高温合金铸件提出更高的要求，因此在整体叶盘和涡轮机匣等期间的铸造，通常为普通熔模精铸的工艺条件下的粗大树枝晶或柱状晶，晶粒的平均尺寸大于4mm，因此容易造成铸件使用过程中的疲劳纹的产生，影响铸件的整体性能与使用寿命。
采用细晶铸造技术，能够改善铸件中的低温疲劳性能和其他力学性能，延长铸件的使用寿命。
2.1细晶铸造原理和方法细晶铸造技术的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中使合金形成的莱昂结晶和新，组织晶核长大，从而火大晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各项同性的等轴晶铸件，从而确保铸件的性能。
常用的细晶铸造方法有动力学法、热控法、改变铸造参数法、化学法等多种方法。
金属型铸造发展现状及展望
金属型铸造发展现状及展望金属型铸造是一种重要的铸造方法，具有高精度、高生产效率、低能耗等优点，被广泛应用于各类零部件的制造。
本文将介绍金属型铸造的发展现状及展望。
一、金属型铸造的发展现状1.技术水平提高随着科技的不断进步，金属型铸造技术水平得到了显著提高。
先进的材料技术和工艺手段的应用使得金属型铸造能够更好地满足高精度、高质量、高效率的生产需求。
同时，数值模拟技术的兴起为金属型铸造的工艺优化提供了强有力的支持，有效缩短了工艺研发周期。
2.应用领域扩展金属型铸造在汽车、航空航天、仪器仪表、医疗器械等行业中得到了广泛应用。
例如，在汽车领域，金属型铸造被用于发动机缸体、缸盖等关键部件的生产；在航空航天领域，金属型铸造主要用于制造铝合金、钛合金等高性能材料零部件。
随着金属型铸造技术的不断发展，其应用领域将进一步扩展。
3.绿色制造的推广随着环保意识的日益增强，绿色制造成为金属型铸造发展的重要方向。
通过采用环保材料、优化工艺流程、实现资源循环利用等措施，降低金属型铸造过程中的能源消耗和环境污染。
例如，采用水溶性芯代替传统砂芯，减少废弃物的产生；优化冷却系统设计，降低能耗。
二、金属型铸造的展望1.智能化制造的推进随着工业4.0时代的到来，智能化制造成为制造业的重要发展趋势。
金属型铸造将逐步实现智能化生产，包括自动化设备、传感器、大数据分析等技术的集成应用，提高生产效率和产品质量。
例如，通过引入机器人自动化生产线，实现模具自动更换和调整，提高生产效率；通过传感器采集生产过程中的数据，结合大数据分析技术，优化工艺参数，提高产品质量。
2.高性能材料的研发和应用随着科技的不断进步，高性能材料的研究和应用成为金属型铸造的重要发展方向。
钛合金、高温合金、高强度钢等高性能材料的研发和应用将进一步拓展金属型铸造的应用领域。
同时，金属基复合材料的出现也将为金属型铸造带来新的发展机遇。
这些高性能材料具有更高的强度、硬度、耐腐蚀性和抗氧化性等特点，能够满足更为苛刻的生产需求。
先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展
先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展一、本文概述随着航空、航天、能源等领域的快速发展，对材料性能的要求日益提高，高温合金作为一种重要的结构材料，在这些领域中发挥着至关重要的作用。
其中，先进高温合金因其优异的高温性能、抗氧化性和抗腐蚀性，成为当前研究的热点。
然而，先进高温合金的制备技术仍面临许多挑战，尤其是其近净形熔模精密铸造技术，更是制约其应用的关键因素。
本文旨在全面综述先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的最新研究进展，包括其基本原理、工艺流程、关键技术难题及解决策略等，以期为推动该领域的技术进步提供参考。
本文将简要介绍先进高温合金的基本特性及其应用领域，阐述近净形熔模精密铸造技术在先进高温合金制备中的重要性。
然后，重点分析近净形熔模精密铸造技术的关键工艺环节，包括熔模制备、型壳制造、熔炼与浇注、凝固控制等，并讨论各环节的优化策略。
接着，本文将深入探讨近净形熔模精密铸造技术在先进高温合金制备过程中遇到的主要技术难题，如氧化、热裂纹、缩孔等，并提出相应的解决方案。
本文将展望先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的发展趋势，探讨新材料、新工艺、新技术在该领域的应用前景。
通过本文的综述，期望能为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考信息，推动先进高温合金近净形熔模精密铸造技术的进一步发展。
二、高温合金及其特性高温合金，也称为超合金，是一类能在高温下保持优异机械性能和化学稳定性的金属材料。
它们主要由铁、镍或钴作为基体，辅以各种合金元素，如铬、铝、钛、钨、钼、铌和钽等，通过精密的合金化工艺制成。
这些合金元素能够增强基体材料的强度、硬度、抗氧化性、抗热腐蚀性和抗蠕变性能，使得高温合金能够在600℃甚至更高的温度下长期稳定运行。
高温强度：高温合金在极高温度下仍能保持较高的强度，这使得它们成为制造高温部件，如航空发动机燃烧室、涡轮叶片等的理想材料。
良好的抗氧化性和抗热腐蚀性：通过添加特定的合金元素，高温合金能在高温环境下形成一层致密的氧化物保护膜，防止了基体材料的进一步氧化和热腐蚀。
2023年高温合金行业市场分析报告
2023年高温合金行业市场分析报告高温合金是指在高温环境下能够保持良好力学性能、耐蚀性和耐热性的金属材料。
随着航空、航天、火箭、核工业等高科技领域的不断发展，对高温合金的需求不断增长，市场前景广阔。
本文将对高温合金行业市场进行分析。
一、市场规模及发展趋势高温合金行业市场规模不断扩大。
据统计，在全球高温合金市场中，美国、欧洲和日本等传统产业国家持续占据主导地位。
截至2019年，全球高温合金市场规模已达到153.6亿美元，且随着高温合金市场应用范围拓宽，市场规模将进一步扩大。
未来高温合金表现趋势看起来积极。
预期全球油气行业较快增长，因为石油和天然气的非常规含量增加，将推进高温合金的应用领域。
随着航空航天、核能、化工等蓬勃发展，这些领域对高温合金的需求将会进一步提高，市场潜力巨大。
二、市场分析1. 地理分布高温合金的生产基地主要集中在欧洲、美国、日本等发达国家，其中，美国占据高温合金的40%市场份额，成为全球最大的高温合金生产国。
此外，中国、印度、俄罗斯等一些新兴市场国家也在逐渐崛起，中国已成为全球高温合金供应大国，将成为未来主导市场。
2. 应用领域高温合金的应用领域较为广泛，主要应用于航空航天、火箭、核工业、能源、化工、汽车等高科技领域。
其中，航空航天、火箭及其它高科技装备的生产领域是高温合金的重点应用领域，以美国的高温合金应用领域为例，航空航天行业应用高温合金的比例高达85%，而其它领域只占15%。
3. 供需形势目前，高温合金供需形势总体平衡，市场供应相对稳定，随着高温合金的应用越来越广泛，对高温合金质量和性能的要求越来越高，这对高温合金生产商提出了更高的要求。
同时，受成本和环保等因素的影响，高温合金的价格也在逐步上涨。
4. 竞争格局高温合金行业竞争格局呈现出产业集中度较高的特点，少数大型企业占据了市场主导地位，例如美国墨菲特纳公司、爱科森工业、日本材料产业、中国航发控制等。
同时，新兴市场的快速崛起以及国内外外资企业加速布局，也增加了高温合金行业的竞争情况。
中国高温合金材料行业市场现状及未来发展趋势分析报告
中国高温合金材料行业市场现状及未来发展趋势分析报告一、市场现状：1.市场规模：中国高温合金材料行业市场规模庞大，2024年市场规模超过1000亿元人民币。
2.市场需求：高温合金材料在航空航天领域应用广泛，航空发动机是最重要的应用领域。
同时，能源行业中的石油、天然气开采以及炼油、化工等领域也对高温合金材料有较高需求。
3.市场竞争：目前，国内高温合金材料市场竞争激烈，主要由一些知名企业主导，如比亚迪材料、上海冶钢、中国铁道科学研究院等。
4.技术水平：国内高温合金材料技术水平逐渐提升，但与发达国家相比，还存在一定差距。
需要进一步加强技术研发和创新能力，提升自主知识产权的比重。
5.出口情况：中国的高温合金材料出口量大幅增加，已经成为全球重要的出口国之一二、未来发展趋势：1.技术创新：高温合金材料行业需要加强技术创新，提高产品质量和性能。
加大研发投入，加强与高校、科研机构的合作，引进国外先进技术，提升企业的核心竞争力。
2.产业链延伸：高温合金材料产业链需要进一步延伸，提高附加值。
发展高端制造、智能制造等相关领域，实现产业链的全面发展。
3.环保与可持续发展：随着环境污染问题的不断加剧，高温合金材料行业需要加强环保意识，推动绿色制造。
研发环保型高温合金材料，提高资源利用率，实现可持续发展。
4.人才培养：加强高温合金材料行业的人才培养工作，增强人员的技术能力和创新意识。
提供良好的职业发展机会，吸引优秀人才进入该行业。
5.国际合作：加强国际合作，提高国内高温合金材料的国际竞争力。
通过技术合作、市场合作等方式，引进国外技术和市场资源，推动中国高温合金材料行业的发展。
总结：中国高温合金材料行业市场规模庞大，在航空航天、能源、化工等领域有着广阔的应用前景。
未来，需要加强技术创新，延伸产业链，推动绿色制造，加强人才培养，加强国际合作，以实现行业的可持续发展。
铸造技术的发展现状与前景探究
铸造技术的发展现状与前景探究近年来，我国铸造技术的飞速发展，使我国正逐渐从铸造大国向着铸造强国之路进行迈进。
与此同时，各种精密的铸造产品也被广泛应用于各个领域中，大大推动了各个领域的进步与发展，铸造行业更是已经成为推动我国国民经济发展的重要行业。
不过，相比于国外其他发达国家，我国在铸造技术上还存在一定的不足，在许多方面都有较大的提升空间。
鉴于此，本文对铸造技術的发展现状进行了分析，并探究了铸造技术的未来发展前景，以期能够进一步提高我国铸造技术的发展水平。
标签：铸造技术;发展现状;发展前景0 引言随着我国经济的不断增长，铸造行业已成为推动我国经济发展的重要产业，人们对铸造产品的应用需求也变得日益强烈。
铸造技术是在液态金属中通过型腔注入来进行凝固与成形，以此制作出各种各样的金属铸件，这些金属铸件在航空航天、石化、汽车制造、造船、电力等各个领域中进行广泛应用，其对于提高主机性能有着关键性的影响。
因此，大力推动我国铸造行业发展，提高铸造技术发展水平，探究一条独具我国社会主义特色的铸造技术发展之路是非常必要的。
1 铸造技术的发展现状近年来，我国铸造行业的飞速发展，使铸造技术水平得以不断提高，不过在铸造技术发展中仍旧存在一定不足，这也使我国与国外发达国家在铸造技术水平上尚存在较大差距。
以下便对铸造技术的发展现状进行相应的探讨。
1.1 黑色金属铸造在黑色金属铸造技术发展上，主要包括铸铁、铸钢以及耐磨材料铸造三个方面，首先在铸铁方面，我国尚未研发出较为稳定的铸造技术来对高性能的球墨铸铁件进行铸造，相比于发达国家，球墨铸铁件中的关键力学性能指标还未达标。
此外，我国目前还无法铸造出具有超大断面的球黑铸铁件，对百吨级以上的燃料贮运容器仍旧需要从国外引进。
在铸钢方面，尚未建立完善的耐腐蚀双相不锈钢材料铸造体系，对于耐腐蚀双相不锈钢材料的铸造缺乏足够的基础数据，没有掌握其铸造成形机理。
在对耐磨材料进行铸造时，我国已经缩短了与国外发达国家之间的差距，万其是在耐磨材料标准上，已经达到国际先进水平，不过少量高锰钢铸件的铸造仍旧无法达到国际标准。
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第20卷 第1期2000年3月航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALSVol.20,No.1M 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730 提高到90年代的1677 ,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:In100,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, 6 ,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 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30 )。
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30 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100 。
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 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 相、 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 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Rene 125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(MNi 12Al 6)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 0,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 。