北京航空材料研究院铸造高温合金及工艺发展40年
先进铸造技术实现航空发动机高温合金部件生产
先进铸造技术实现航空发动机高温合金部件生产先进铸造技术实现航空发动机高温合金部件生产航空发动机作为飞机的核心部件，对于其性能和质量要求非常高。
在飞行过程中，发动机不可避免地会面临高温和高压环境的考验，因此需要使用高温合金材料来制造发动机的关键部件。
然而，高温合金的制造并不容易，它的熔点高、金属流动性差，传统的铸造工艺难以满足其要求。
因此，研发先进的铸造技术来实现航空发动机高温合金部件的生产成为了当今航空制造领域的一个重要课题。
一、先进铸造技术的背景和意义航空发动机高温合金部件是承载发动机工作负载、耐受高温和高压环境的重要组成部分。
传统的铸造工艺对于高温合金的制造存在一些问题，如温度控制困难、晶粒度不均匀等。
这些问题导致了高温合金部件在使用过程中容易出现脆性断裂等质量问题，并且制造成本也较高。
因此，研发先进的铸造技术来实现航空发动机高温合金部件生产的意义重大。
二、先进铸造技术的研究方向1. 智能铸造技术智能铸造技术是一种将信息技术与铸造工艺相结合的技术，通过对铸造过程的监测和控制，实现高温合金部件的精确制造。
其中，传感器技术可用于实时监测和控制铸造过程中的温度、压力等关键参数，从而提高部件的质量和性能。
2. 三维打印技术三维打印技术是一种将数学模型直接转化为实体的制造技术，通过逐层堆叠材料来构建三维结构。
对于高温合金部件的制造，三维打印技术具有很大的优势，可以实现复杂零件的精确制造，并且可以减少材料浪费，提高制造效率。
3. 选择性激光熔化技术选择性激光熔化技术是一种利用激光束将金属粉末逐层熔化并凝固成形的制造技术。
该技术具有高精度、高效率的特点，适用于制造复杂形状的高温合金部件。
此外，激光熔化技术还可以实现对材料组织和性能的精确控制，提高部件的耐高温性和机械性能。
三、先进铸造技术在航空发动机制造中的应用1. 提高发动机效率和性能先进铸造技术可以制造出更加复杂和精细的高温合金部件，如叶片、燃烧室等。
先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展
第26卷 第3期2006年6月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o.l 26,N o .3June 2006先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展曹腊梅,汤 鑫,张 勇,薛 明,李爱兰,盖其东,刘发信(北京航空材料研究院,北京100095)摘要:介绍近期国内外的高温合金近净形熔模精密铸造技术研究发展状况,重点介绍北京航空材料研究院在航空发动机高温合金涡轮叶片、整体叶盘以及导向器和机匣类结构件的精密铸造技术领域取得的研究成果。
论述高温合金精密铸造技术的未来研究重点。
关键词:高温合金;近净形;精密铸造;进展中图分类号:TG132.3 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)03-0238-06收稿日期:2006-02-21;修订日期:2006-04-11作者简介:曹腊梅(1966-),女,研究员,主要从事高温合金精密铸造技术研究,(E -ma il)la m e.i cao @bia m.ac .cn 。
近净形熔模精密铸造是一种少(无)切削的特种铸造方法。
铸件的工作面无需机械加工或只进行局部打磨,即可达到类似抛光铸件的尺寸精度和表面粗糙度。
它是通过严格的工艺设计、使用精密制造的模具工装、优质模料、铸型材料、优质的合金材料在专用的工艺装备上进行浇注和凝固结晶以及对铸件成形过程中各工艺环节和工艺因素的严格控制,获得高尺寸精度和低表面粗糙度,使用性能满足设计要求的铸件。
它是精密高效的CAD /CAM /CAE 技术、材料学、冶金物理与化学、环境与装备保障、精密成形控制、表征与无损检测等多学科交叉的综合技术。
高温合金近净形熔模精密铸造技术,主要针对航空航天动力系统热端部件,如涡轮叶片、整体叶盘、导向器、机匣类复杂异型结构特点和高温结构材料的物理化学特性形成的专用近净形熔模精密铸造技术,内容包括近净形铸造工艺设计、熔模材料与精密成形技术、高温陶瓷材料与精密成形技术、高温合金浇注成形与凝固结晶控制技术、铸件后处理与专用工装研究,以及工艺过程中质量控制方法和表征技术研究。
热等静压(HIP)技术在金属材料方面的应用
热等静压(HIP)技术在金属材料方面的应用热等静压(HIP)技术于本世纪50年代中期问世。
经过40多年的发展现已成为世界高性能材料生产不可缺少的一项技术，同时也成为新材料开发中的重要高新技术。
我国HIP技术开发始于70年代。
在近30年的发展中，不仅取得不少可喜的成果，而且这些成果已在许多领域中得到了应用。
HIP′99国际会议在北京召开，无疑为我国从事HIP研制人员提供了不可多得的与国际同行进行直接交流的机会，并将有利于我国HIP技术的发展。
为了使广大读者对本届会议内容有一个概略的了解，本文对当前HIP技术在金属材料方面的应用进行了综合评述，其重点在钛合金、高温合金、铍材和难熔金属的应用方面。
1 HIP技术在钛合金方面的应用在近期的应用中，钛合金铸件经HIP致密化处理后最重要的应用仍然在商业方面。
这是由于钛合金铸件可以制备大型、异型的净成形产品，因此大幅度降低部件的制造成本。
HIP处理虽然使合金的强度水平略有下降，但它使材料的塑性及疲劳寿命增加，并使其力学性能的分散度下降，从而提高材料使用性能的可靠性。
Ti-6AI-4V合金是钛合金的主要材料，目前最大的钛合金铸件是美国GE公司的GE90发动机风扇结构件，其外径为1500mm。
Pratt & Whitney公司制造的PW4080发动机过渡罩外径已达1800mm。
由于铸件的尺寸大于目前世界上正在运转的HIP机尺寸，故在此件HIP处理前先把它切开分别进行HIP处理，然后再把它焊合。
为此航空发动机厂要求用HIP处理尺寸为2050mm及超过此尺寸的部件。
鉴于制造2050mm HIP设备的制造费用过高，而且这种大件的数量相对较少，故难以实现。
为了提高钛合金铸件性能，波音公司、洛克希德公司及麦当来、道格拉斯公司作了大量的研究工作。
现已表明，钛精密铸件在HIP后再经过适当的热处理可以使其性能达到锻件的水平(包括疲劳性能及塑性)。
马丁／波音F22空中优势战斗机是HIP钛合金应用的典范，其应用的76个部件约占飞机机架重量的45%，材料为经HIP后的钛合金铸件。
钴基铸造高温合金K6509的研究
钴基铸造⾼温合⾦K6509的研究钴基铸造⾼温合⾦K6509的研究Study on Co bas ed Superalloy K6509张强,张宏炜,贾新云,谭永宁,黄朝晖(北京航空材料研究院先进⾼温结构材料国防重点试验室,北京100095) ZH ANG Qiang,ZH AN G H ong wei,JIA Xin yun,TAN Yong ning,H U ANG Zhao hui(National Key Laboratory of Advanced H igh T emperature StructuralMaterials,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing100095,China)摘要:K6509合⾦是本院新研制的钴基⾼温合⾦,将主要⽤于涡轮发动机的导向叶⽚材料,具有较⾼的持久性能,适⽤于铸造复杂型腔的薄壁空⼼叶⽚。
本⽂主要介绍了合⾦的成分特点,主要的物理和⼒学性能,并与K640,DZ40M合⾦的⼒学性能做了对⽐。
关键词:钴基⾼温合⾦;⼒学性能;微观组织中图分类号:TG1461⽂献标识码:A⽂章编号:10014381(2009)Suppl1014204Abstr act:K6509alloy is a newly developed Co based superalloy,mainly designed for turbine vane ap plications.The alloy has excellent stress r upture properties,which is suitable for complex cored thin wall airfoils.The composition and physical and mechanical properties are introduced.The mechanical properties of this alloy are compared with K640and DZ40M.Key words:cobalt base super alloy;mechanical property;microstr ucture⾼温合⾦被⼴泛应⽤于飞机、船舶、车辆的燃⽓涡轮机和⽤作宇宙飞⾏器、⽕箭发动机、核反应堆、蒸汽动⼒发电⼚装置、⽯油化⼯设备以及其它⽤途中的耐⾼温材料。
固溶参数对镍基高温合金K439B_显微组织及力学性能的影响
第 4 期第 120-126 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.120-126第 52 卷2024 年 4 月固溶参数对镍基高温合金K439B 显微组织及力学性能的影响Effect of solution parameters on microstructures and mechanical properties of K439B nickel -based superalloy张雷雷1，2，陈晶阳2*，任晓冬2，张明军2，汤鑫2，肖程波2，杨卿1*（1 西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048；2 中国航发北京航空材料研究院 先进高温结构材料重点实验室，北京 100095）ZHANG Leilei 1，2，CHEN Jingyang 2*，REN Xiaodong 2，ZHANG Mingjun 2，TANG Xin 2，XIAO Chengbo 2，YANG Qing 1*（1 School of Materials Science and Engineering ，Xi ’an University ofTechnology ，Xi ’an 710048，China ；2 Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory ，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials ，Beijing 100095，China ）摘要：采用金相显微镜和场发射扫描电子显微镜 （FE -SEM ） 研究不同固溶温度（1140，1160 ℃及1180 ℃）及固溶冷却方式（AC ，FC -900 ℃+AC ，FC ）等热处理参数对K439B 合金显微组织及力学性能的影响。
中国航空发动机涡轮叶片用材料力学性能状况分析_何玉怀
度范围内的数据 ,疲劳性能无法比较 。在金属间化 合物基高温合金中 , IC6合金的拉伸性能比较好 ,在 1050℃下的拉伸强度仍能接近 600M Pa。
54
航空发动机
2005年第 31卷第 2期
图 10 单晶及金属间化合物的拉伸强度 图 11 单晶及金属间化合物的持久强度 图 12 单晶及金属间化合物的疲劳强度
4 力学性能数据状况
工作环境的特殊性对航空发动机涡轮叶片材料 的性能也有特殊要求 ,如材料的热 - 机械疲劳性能 、 蠕变 - 疲劳交互作用 、振动疲劳 、薄壁效应等 。因 此 ,相关数据的积累显得特别重要 。但是 ,除了部分 早期研制的材料的力学性能数据较全以外 ,中国航 空发动机大部分在用或候选材料的性能数据缺项很 多 ,主要表现在以下方面 [ 1, 14, 15 ] 。 (1)短时力学性能的统计值 在《航空发动机设计用材料数据手册 》第一册 、 第二册上有少部分材料的短时力学性能的统计值 , 但是许多新材料 ,如 DZ125 等定向凝固高温合金 , DD3等单晶高温合金 , IC6 等金属间化合物基高温 合金都没有 ,而这些材料都已经或即将在航空发动 机上作为涡轮叶片材料使用 ,设计部门亟需此方面 的数据 。 (2)不同温度范围下的高 、低周疲劳性能 涡轮叶片材料的高 、低周疲劳性能数据较少 ,有 的仅有 1, 2 个温度下的 , 而且使用温度一般是在 900℃以下的 。先进航空发动机涡轮叶片的使用温 度已经达到了 1000 ～1100℃,而在此温度下的高 、 低周疲劳性能数据几乎是空白 。 (3)高温疲劳断裂性能 随着航空发动机设计水平的提高 ,国外早已采 用损伤容限的设计思想 。中国现已在航空发动机设 计中采用 。但是 ,制约中国损伤容限设计水平提高 的瓶颈是包括涡轮叶片用材料在内的许多关键材料 的疲劳断裂性能数据太少 ,尤其是高温下的疲劳裂 纹扩展性能数据和断裂韧度数据更为缺乏 。 (4)振动疲劳性能 振动疲劳是叶片材料的特有现象 ,但关于叶片 材料振动疲劳的性能数据极少 。 (5)薄壁性能
北京航空材料研究院
北京航空材料研究院
北京航材院的主要业务包括航空材料、航空零部件、航空装备的研发与生产，
以及相关的技术服务和咨询。
该院拥有一支由资深专家和技术精英组成的研发团队，具备雄厚的研发实力和创新能力。
通过多年的努力，北京航材院已经形成了一整套完善的研发体系和技术标准体系，能够为航空工业提供高质量的材料和零部件。
在航空材料领域，北京航材院致力于开发高性能、高可靠性的航空材料，包括
航空用铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等。
这些材料广泛应用于飞机结构件、发动机零部件、航空航天器件等领域，为航空工业的发展提供了重要支撑。
此外，北京航材院还积极开展航空零部件的研发与生产工作，包括飞机结构件、发动机零部件、飞机系统件等。
该院拥有先进的生产设备和严格的质量管理体系，能够满足航空工业对高质量零部件的需求。
除了研发和生产，北京航材院还提供航空材料领域的技术服务和咨询。
该院拥
有一支高水平的技术服务团队，能够为客户提供材料性能测试、工艺研究、质量控制等方面的技术支持和解决方案。
同时，该院还能够为客户提供航空材料领域的技术咨询和培训服务，帮助客户提升自身的研发和生产能力。
总的来说，北京航材院作为中国航空工业的重要组成部分，承担着航空材料研
究和生产的重要使命。
该院将继续发扬“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，不断提升自身的技术实力和市场竞争力，为中国航空工业的发展做出更大的贡献。
一代材料一代装备_浅谈航空新材料与飞机_发动机的发展
国内航空铝合金的发展已走过几 个发展阶段。总的讲，我国铝合金的研 制主要跟踪国际先进水平，但关键技 术的突破以及品种、规格的系列化发 展和工程应用水平距离国外还有较大 差距，亟待建立第三、四代铝合金完善 的材料体系。
２００６ 年 ２ 月 ９ 日，国务院发布了我 国《国家中长期科学和技术发展规划纲 要（２００６～２０２０ 年）》，其第四章“重大
专项”里确定了大型飞机等 １６ 个国家 级重大专项。据论证，大飞机专项的关 键技术包括“发动机”、“材料”和“电 子设备”三项，而事实上，发动机和电 子设备的发展基础依然是材料，即高 温合金材料和电子、微电子材料等。这 再次突显了材料在航空工业发展中的 关键作用。
我国高温合金随航空发动机的发 展研制和生产需求而发展。２０ 世纪 ７０ 年代前高温合金的创业和起步时期， 由于我国第一、二代发动机的需求，我 国研制和发展了 ＧＨ 系列的变形高温合 金，如 ＧＨ４１３３、ＧＨ４０４９、ＧＨ４１６９ 以 及 Ｋ 系列的铸造高温合金，如 Ｋ ４ ０ ３ 、 Ｋ４０５、Ｋ４１７Ｇ 等。其中有仿苏联、仿 欧美，也有独立自主研制的，同时也发 展了许多新的制造技术，如真空熔炼 和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。 其中最为突出的是 Ｋ４１７ 合金 ９ 小孔空 心冷却涡轮叶片，它是我国第一个铸 造空心冷却叶片在航空发动机上使用。
欧美国家航空铝合金的发展已经 高性能铝合金为第四代战斗机 Ｆ － ３ ５ 、
历了第一代静强度铝合金、第二代耐 第三代民机 Ｂ７７７ 以及大型军用运输机
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[ 摘要 ] 简要介绍了航空材料研究院 40 年来在铸造高温合金及工艺包括熔炼、 铸造、 定向凝固及细 晶 铸 造 等 领 域 取 得 的 成 就。 关键词 铸造高温合金 熔模铸造 定向凝固 单晶 细晶
[Abstract ] T he ach ievem en t s in field of ca st sup era lloys and p rocesses includ ing m elt ing and ca st ing in B IAM fo r 40 yea rs have been review ed in b rief 1 Keywords ca st sup era lloys investm en t ca st ing d irect iona l so lid ifica t ion sing le crysta l fine crysta l
造高温合金的历史, 也标志着铸造涡轮导向叶片材料开
始 成 为 航 空 材 料 国 产 化 的 先 行 者 之 一。
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D Z125 011 819 余 10 7 2 512 019 - 01015 -
DD 2 -
718 余 416 8 015 516 1 - -
-
单 晶
DD 3 0101 915 余 5 515
4
519 212 -
-
-
合 DD 4 -
9 余 715 6 115 317 412 - -
-
金
DD 6
IC6 N i3A l 基合金
2 611 113 -
合
金 K77 0106 15 余 15 - 412 414 315 -
01017 0105 0102 0107
0107 0110
0107 0110
-
-
0108 0105
0108 0105
0102 -
K002 0115 K211 0115 K214 011
9 余 10 10 Φ 015 515 115 - 01015 0105
1 前言
铸造高温合金及其熔炼和铸造工艺是北京航空材 料 研 究 院 最 重 要 的 研 究 领 域 之 一。 从 1958 年 开 始 研 究 我国第一个铸造高温合金以来, 已走过整整 40 年的历 程, 在这期间, 创业的艰辛、事业的扩展、人才的成长、 成果的涌现, 确实令世人瞩目。航材院已经成为我国最 大的铸造高温合金和工艺研究发展及推广应用的中心, 为 我 国 航 空 发 动 机 的 生 产 和 发 展 作 出 了 重 大 贡 献。本 文 拟从合金和工艺两方面简要介绍航材院 40 年来在该领 域 所 取 得 的 成 就。
材料工程 1998 年 10 期
K 403 合 金 是 在 60 年 代 初 由 航 材 院 与 上 海 交 通 大 学合作采用当时先进的真空熔炼工艺研制成功的性能 水平较高的铸造叶片合金[3] , 先后用于 16 种 航 空 发 动 机和多种地面燃气轮机制作涡轮导向叶片和工作叶片, 是 我 国 应 用 最 广 的 铸 造 高 温 合 金 之 一。
合金
化学成分, w t%
700℃
持久强度, M Pa 900℃
1000℃
C C r N i Co W M o A l T i Fe B Zr
K401 011 1515 余 - 815 -
5 1175 - 0104 -
K403 0114 11 余 512 512 412 515 216 K405 0114 1012 余 10 418 410 514 215 -
K406 0115 1515 余 - - 417 316 215 -
K6C 0105 19 余 - - 417 316 215 普 通 K412 0113 15 余 - 515 318 118 118 -
铸 K419 0112 518 余 12 10 2 515 113 -
造 K19H 0112
6
余 12 10
北京航空材料研究院铸造高温合金及工艺发展 40 年
定向凝固高温合金的出现是国际铸造高温合金发 展史上的重大事件之一。 60 年代中期, 继美国 P&W 公 司 研 制 成 功 定 向 凝 固 M A R 2M 200 合 金 之 后, 航 材 院 率 先在我国研究高温合金的定向凝固技术, 先后研究成功 D Z 3、D Z 4、D Z 22 等合金[5, 6] , 填补了国内空白。 其中, DZ4 合金是航材院与上海交大合作研制的我国第一个 进 入 工 程 化 阶 段 用 于 较 先 进 的 现 役 航 空 发 动 机 W P l3B 上制作涡轮工作叶片和导向叶片的定向凝固高温合金, 具有较高的 高 温 强 度、 良 好 的 铸 造 性 能 和 较 低 的 密 度, 并 且 不 含 铪 因 而 成 本 较 低。 单 晶 高 温 合 金 的 研 制 是 航 材 院 的 重 点 课 题 之 一。其 中 DD 3 合 金 是 采 用 相 计 算 原 理 和 正 交 设 计 法 结 合 实 验 验 证, 通过多年努力研究成功的密度较低、成分较简单 而性能水平相 当 于 国 外 第 一 代 单 晶 合 金 PW A 1480 的 我 国第一个用于航空发动机的单晶高温合金[7] , 己投入小 批 量生产。在与美国 P&W 公司合作研究的过程中, 曾对 DD 3 合金进行过共同的评估, 双方在各自试验室对同炉 DD 3 合金测试不同温度的拉伸和蠕变性能 ( 表 3 ) , 结果 表明, 双方测试结果基本吻合, 性能水平与 PW A 1480 相 当[8 ]。 另外, 采用合金设计法与试验研究相结合研制的相 当 于 国 外 第 二 代 单 晶 合 金 水 平 的 DD 6 合 金, 也 取 得 了 可喜进展, 已被选用作为先进航空发动机的高压涡轮叶 片 材 料。 IC 6 合金是航材研究院在国家 863 高科技 发 展 项 目 资助下研究成功的 N i3A l 基金属间化合物铸造合金[9]。
8115
8112 8156 8156 8148 8156 8120 8156 8185 7190 8100
W P5, W P6 导向叶片
W P6, W P7, W P8, W P13, W S9, W J 5, W J 6 等导向叶片和涡轮叶片
W J 5 涡轮叶片 W S8 涡轮叶片 W Z6 整铸导向器 W P6 导向叶片 W Q J 涡流器叶轮
20 46 - 8 - - - 余 -
-
12 4215 - 612 - 211 416 余 0113 -
K25 0106 余 41 - 余 512 512 413 517 216 - 01015 011
其它
-
219N b 215N b 114H f
时期的同类合金相比 (图 1) , 航材院的合金虽然 出现
的 我国第一个镍基铸造高温合金[1, 2] , 用于当时的 W P 6
较晚, 但相应的性能水平基本相当。
发 动 机 制 作 涡 轮 导 向 叶 片。它 的 出 现 开 创 了 我 国 研 究 铸
表 1 和表 2 列出航材院历年研制出的各类铸造高
D Z4 0113 915 余 517 515 319 610 119 - 01018 -
定 向
D Z5 0111 1012 余 10 5
318 515 215 -
01015 -
合 金 D Z22 0114
9
余 10 12 -
5 2 - 01015 -
D Z22B 0114 9 余 10 12 -
5 2 - 01015 -
IC 10
- 余 - - 13 8 - - 011 -
-
912 -
353 274 181
125
-
1N b 115H f 1N b
1H f 318T a 115H f
6T a 011H f
4T a 015N b
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