K418高温合金熔炼工艺

一种细晶铸造K465合金低压涡轮叶片组织和力学性能

2021年第1期/第70卷

试验研究

FOUNDRV53

一种细晶铸造K465合金低压涡轮叶片组织和

力学性能

尹湘蓉，黄中荣，龙阅文，佘玉良，龚晓宁，郭志飞

(中国航发航空科技股份有限公司，四川成都610503)

摘要：为提高叶片铸件质量和生产效率，对某型机K465合金低压涡轮叶片开展细晶铸造工艺

研究，对细晶铸造的精铸低压涡轮叶片的显微疏松、组织进行观察，力学性能及极限疲劳性

能进行测试，并与原工艺的叶片对比，验证晶粒细化对涡轮叶片晶粒度和疲劳强度的影响。

结果表明，细晶铸造工艺能使叶片铸件低倍晶粒度、枝晶间距细化，叶片的显微疏松、显微

组织与原工艺相比没有变化，但室温拉伸强度略有提高，极限疲劳强度更优。

关键词：K465合金；低压涡轮叶片；细晶铸造；晶粒度；力学性能

作者简介：

尹湘蓉（

1968-),女，研

究员，硕士，主要研究方

向为金属材料及热加工工

艺。

E-mail: 1106531505@

中图分类号：

TG290.8

文献标识码：A

文章编号：

1001-4977(2021)

01-0053-05

收稿曰期：

2020-07-15收到初稿，

2020-09-20收到修订稿。细晶铸造工艺是将化学孕育剂（C

oA1:04、C

oOA120,等）与粘结剂按一定比例配

置，混合均匀后涂制铸造工艺型壳内表面。叶片铸造合金浇注时，合金中的活性元

素如Al、Ti等，与型壳内表面孕育剂发生置换反应，形成大量异质晶核，使叶片铸

件得到由表及里的细晶晶粒，这是一种很有效且简易、实用的晶粒细化工艺方法，

被广泛采用。与普通铸件相比，细晶铸造组织表现为细小的晶粒度、高度弥散分布

的细小碳化物质点、细小而均匀的7’相分布。细晶铸造零件在中低温工作条件下具

有明显的性能优势，有利于提高零件的疲劳强度，显著减少铸件力学性能数据的分

散度，从而提高铸造零件的设计容限，在航空发动机等轴晶叶片研制和生产中也得

到了一定范围的研究和应用，如国外ln718压气机叶片、国内K4I7G、K403、K418、

K418和42CrMo激光深熔焊焊缝形貌预测及验证

Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎ０Ｊｏ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１０　Ｏｃｔ．２０１０　・试验与研究・　１　１　

文章编号：１００２－０２５Ｘ（２０１０）１０－００１１－０３　

Ｋ４１８和４２ＣｒＭｏ激光深熔焊焊缝形貌预测及验证　

庞　铭，谭建松，王建平，吴　波，解志民，徐广辉，宋吉林　

（中国北方发动机研究所分所，河北廊坊０６５０００）　

摘要：激光深熔焊热源模型反映焊接熔池热流分布情况。模型的准确性决定模拟结果的有效性。针对Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ特有的焊缝形貌，在　

综合考虑了材料的热物性参数随温度的变化、熔池相变潜热和焊缝正面等离子体附加热源效应。建立了锥形热源与峰值热流逐渐衰减的圆　

柱复合热源。采用ＡＮＳＹＳ软件模拟了激光深熔焊接Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ异种金属焊缝形貌。通过试验验证表明：数值模拟焊缝形貌与试验基　

本吻合．说明了模型的有效性。　

关键词：激光焊接；复合热源；焊缝形貌　

中图分类号：ＴＧ１７４．４４２　文献标志码：Ｂ　

涡轮增压器转子是发动机的核心部件。其质量对　

发动机的寿命有很大的影响。涡轮增压器转子通常是　

由Ｋ４１８涡轮盘和４２ＣｒＭｏ涡轮轴焊接而成．二者的　

热物理性能、高温力学性能差异很大，属于典型的　

异种金属焊接…。Ｋ４１８是　（Ｎｉ３（Ａ１，Ｔｉ）））沉淀硬　

化Ｎｉ基高温合金，合金中Ａｌ，Ｔｉ含量高，焊接时在　

焊缝区易产生结晶裂纹，在热影响区易产生液化裂　

纹［２－３］；而４２ＣｒＭｏ钢的碳当量大，焊接时具有很大的　

淬硬倾向，焊接性差。因此把这２种难焊金属焊在一　

起具有很大的挑战性。目前，对Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ异　

种金属成熟的焊接方法是摩擦焊。但摩擦焊焊接接头　

需要第２次加工并易产生低应力破坏［４］。激光焊具有　

功率密度大、焊接热影区小、焊接变形小、焊缝成形　

好且不需要二次加工等优点［５］。　

目前，已有大量报道同种金属激光焊接数值模拟　

的文献，但对于异种金属激光深熔焊接数值模拟还没　

有公开的文献报道Ｃ６－８］。本文在分析了激光与Ｎｉ基　

铪在高温合金中的应用及回收

郭树军; 董雪平

【期刊名称】《《广州化工》》

【年(卷),期】2019(047)013

【总页数】3页(P38-40)

【关键词】铪; 高温合金; 应用; 回收; 新材料

【作者】郭树军; 董雪平

【作者单位】全南晶环科技有限责任公司江西赣州 341800

【正文语种】中文

【中图分类】TF802.2

铪是一种稀有难熔金属，没有单独的矿物，在自然界中和锆总是伴生在一起；锆矿中一般都含有1%～2%的铪[1]。生产使用的海绵铪制备的关键技术是锆铪分离：第一类方法是湿法溶剂萃取法进行锆铪分离，其中包括MIBK、N235、TBP等[2]；第二类方法是火法精馏法进行锆铪分离，包括使用氯化或者溴化进行分离[3]。

高温合金是指在600 ℃或者以上的高温条件下，承受较大复杂应力，并具有一定的表面稳定性的高合金化铁基、镍基、钴基奥氏体金属材料[4-5]。它具有良好的高温强度和高温蠕变性能、优异的抗腐蚀性能与耐磨蚀性能、良好的组织稳定性和工艺性能，目前被广泛应用于航空航天、工业用燃气轮机、石油化工设备以及能源转换装置中。高温合金[5]按照合金基体分为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金，其中镍基高温合金在航空航天事业中应用非常广泛。将铪应用于镍基高温合金中，能够极大提高合金材料的性能。

高温合金是发动机主要材料，未来需求超2万吨[6]，高温合金市场进入壁垒高，潜在竞争少。高温合金材料领域技术含量很高，目前具有完整高温合金体系的国家只有美、英、俄、中四国，能够生产航空航天用高温合金的企业也不超过50家，整个行业具有较为明显的寡头特征。图1为金属铪及高温合金制备示意图。

图1 金属铪及高温合金制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of

hafnium and superalloy

1 铪的应用

1.1 铪的应用

金属铪的应用除去在核电应用领域的铪控制棒[7]以外，在非核领域也有广泛的应用，铪在合金的应用明显能够改善合金的性能，如铪在高温合金[8]、镍钛基合金[9]、铌基合金[10]、稀土永磁材料[11]、铝合金[12]、非晶合金[13]、铜合金[14]的应用；铪在新材料的应用方向有等离子体切割的铪丝[15]、光学镀膜[16]及半导体存储器件[17]的铪靶材、铪弹[18]等。图2为金属铪的应用。

热等静压温度对K447A高温合金显微组织及性能的影响

李爱兰，汤鑫，曹腊梅，盖其东

【摘要】摘要:研究了热等静压温度对K447A合金显微组织及性能的影响。测试了合金的持久性能和室温拉伸性能。利用金相显微镜（OM）和扫描电镜（SUM）观察了合金显微组织。结果表明，1185～1210℃/180MPa/4h（+1185℃/2h，AC+1100℃/4h，AC+870℃/20h，AC）下，随热等静压温度的提高，合金中显微疏松逐步闭合，碳化物逐步细化和球化;γ-γ'共晶相尺寸和数量逐步减小，共晶特征趋于不明显;晶界呈不连续颗粒状;存在大、小两种尺寸的γ'相。经1185～1210℃HIP处理的合金980℃/200MPa持久性能大幅提高;经1195℃HIP的合金760℃/724MPa持久性能达到最高。经1210℃HIP处理的合金980℃/200MPa持久性能达到最高。180MPa/4h条件下，K447A合金合适的热等静压温度为1185～1210℃。

【期刊名称】航空材料学报

【年(卷),期】2012(032)002

【总页数】7

【关键词】关键词:热等静压;K447A合金;显微组织;性能

铸造高温合金是由合金锭重熔后直接浇注成零件的高温合金，是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料。铸造高温合金最重要的用途是制造航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机涡轮叶片、导向叶片、整铸涡轮和导向器、增压器、涡轮机匣、尾喷管调节片等零部件［1］。

中小型发动机一般采用整体铸造叶盘，即将叶片和轮盘一次整体铸造而成［2］。叶片承受高温腐蚀性燃气直接冲击，容易发生蠕变断裂，需要在高温下有好的

高温持久和蠕变强度;而轮盘需要承受巨大的机械应力，需要在中低温下有好的拉伸强度和低周疲劳性能。由于定向柱晶组织在高温下具有好的持久和蠕变性能，细晶组织在中低温下具有好的拉伸性能和低周疲劳性能，因此将整体叶盘的叶片铸造成定向柱晶、轮盘铸造成等轴细晶是提升整体叶盘使用性能的最佳途径。整体叶盘叶片的极限温度大于1000℃，转数超过100000r/min。在这样高的温度和转数条件下，整体叶盘承受很高的机械应力和热应力，容易造成叶片和轮盘断裂［3～6］。

增压器配件名称

部件名称英文名称简称材料组成钢轮/转子Shaft&WheelsSWK418（高温合金）叶轮Compressor WheelsCW铸铝C355五轴叶轮Billet compressor wheel中间体Bearing housingBH灰铁250背板Back plateB密封环Piston RingPR隔热罩heat shieldHS修理包Repair KitRK机芯CHRAC转子总成RA旁通阀ActuatorA止推轴承Thrust BearingTB浮动轴承Journal BearingJBCu-Sn止推环(定套轴封）Thrust collare and spacerTC喷嘴环Nozzle ringNR涡壳Turbine housingTH涡壳钼（钼含3.8%）压壳Compressor housingCH铝105锁紧螺母LocknutL卡簧Retaining ringRR“O”型圈“O”type piston 密封圈gasket3Cr13球形轴承ball-bearing电磁阀Electronic Actuator旁通阀隔膜Actuator Diaphragm旁通阀弹簧Actuator SpringTurbo parts 增压器配件铸造工艺锻造浇铸浇铸

PCD车刀加工压铸浇铸

数控刀加工

FGH95-K418B双合金热等静压复合工艺研究

第３ｌ卷　第４期　

２０１１年８月　航空材料学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

ＦＧＨ９５－Ｋ４１８Ｂ双合金热等静压复合工艺研究　

罗学军，　马国君，　王晓峰，　田高峰，　盖其东，　穆松林　

（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）　

摘要：采用热等静压扩散连接工艺实现了ＦＧＨ９５高温合金粉末和Ｋ４１８Ｂ铸造合金之间的可靠连接。研究了热等　

静压复合连接工艺对ＦＧＨ９５一Ｋ４１８Ｂ复合界面的成分扩散、界面组织的影响，以及对叶片材料组织和性能的影响。　

结果表明，通过合理的工艺选择与改进，可以在保证对偶材料性能满足要求的前提下实现界面的良好扩散与结合。　

关键词：双合金；整体叶盘；热等静压；扩散连接　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５０５３．２０１１．４．００６　中图分类号：Ｖ２２３；Ｖ２１５．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－５０５３（２０１　１）０４－００２９－０４　

整体叶盘（Ｂｌｉｓｋ）制造技术是美国ＩＨＰＴＥＴ（国　

防部综合高性能发动机技术）发展计划的重要支撑　

技术，在美国的先进战斗机（ＡＴＦ）计划中列为重要　

核心技术，双合金整体叶盘（Ｂｌｉｓｋ）是发动机转子制　

造技术的发展方向之一，在国外新型航空发动机辅　

助动力装置上已得到广泛应用¨　。整体涡轮叶盘　

中所用盘件材料主要是粉末高温合金，以满足中温　

轮盘部分高的屈服强度和良好的低周疲劳性能；叶　

片材料主要是铸造高温合金细晶、定向合金和单晶　

合金，以满足叶片部位高温持久蠕变性能要求，双合　

金结合良好使轮毂和叶片都能获得良好的组织和性　

能；从而实现盘件与叶片的灵活选择和最佳性能匹　

配。与整体铸造叶轮相比，双合金整体叶盘可以兼　

顾盘心盘缘的性能；与机械榫齿连接的叶盘结构相　

比，可大大减少机加工量，免除高精度加工和装配要　求，减轻涡轮重量，从而提高涡轮转速、性能和可靠　

国内外粉末高温合金牌号

粉末高温合金是一种具有优异热稳定性和耐腐蚀性能的金属材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。在国际上，粉末高温合金牌号种类繁多，每种牌号都具有其独特的特性和适用领域。下面将介绍国内外常见的粉末高温合金牌号及其特性。

国外粉末高温合金牌号：

1.英国Hastelloy X合金（UNS N06002）

Hastelloy X合金是镍基超合金，具有良好的高温强度和抗氧化性能，在1100℃时仍保持一定的塑性。因其能在高温、强氧化性气氛中工作，常用于航空发动机的零件制造。

2.美国Inconel 718合金（UNS N07718）

Inconel 718合金是一种镍基超合金，具有良好的耐高温、抗蠕变和耐腐蚀性能，常用于航空航天领域，如涡轮叶片、燃烧室等零部件制造。

3.德国HAYNES 230合金（UNS N06230） HAYNES 230合金具有良好的高温强度和抗氧化性能，适用于高温环境下的重载应用，如燃烧室壁板、导向叶片等。

4.美国Rene 41合金（UNS N07041）

Rene 41合金是一种高温镍基合金，具有良好的高温强度和抗蠕变性能，常用于航空发动机的高温零部件制造。

国内粉末高温合金牌号：

1.国产K418合金

K418合金是一种钴基高温合金，具有良好的耐高温、抗氧化性能，常用于航空发动机的高温零部件制造。

2.国产GH4169合金

GH4169合金是一种镍基高温合金，具有良好的高温强度和耐腐蚀性能，常用于航空航天领域的零部件制造。

3.国产GH3536合金

GH3536合金是一种镍基高温合金，具有良好的高温强度和抗氧化性能，广泛应用于航空、能源等领域。 4.国产GH3128合金

GH3128合金是一种镍基高温合金，具有良好的高温强度和抗氧化性能，常用于航空航天领域的高温零部件制造。

综上所述，国内外粉末高温合金牌号种类繁多，每种合金都具有其独特的特性和适用领域。随着航空航天、能源等领域的不断发展，粉末高温合金的需求将会不断增加，研发新型高温合金将成为未来的发展趋势。

新技术新工艺-细晶铸造(doc 7页)

件晶粒。与热控法相比，GX法浇注过热度较大，因而使铸件薄壁部分容易成形，所获得的铸件纯净度高，晶粒度细小而均匀，通常能达到ASTM0～２级。但晶粒形态仍保留着轻微的树枝状，其缺点是不能全面改善铸件的晶粒形态，仅使厚截面部位晶粒细化。这种方法适用于铸造叶盘和其他一些回转体铸件以及截面厚大的细晶铸件。MX法是Howmet公司开发的第二代动力学法细晶铸造工艺，其特点是将机械扰动与快速凝固相结合以获得晶粒更加细小的晶胞组织，用此法铸造的铸件晶粒度能达ASTM3~5级或更细，可与变形高温合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高铸件的力学性能。直到目前为止，该工艺仍属不公开的专利。但从有关资料分析，其工艺要点主要包括：①合金精炼后静止降温，使浇注过热度保持在20℃以内。②浇注时对合金液进行机械或电磁感应扰动，使合金液成细小的液滴流注入预热铸型的型腔。③在铸型内扰动合金液并提高铸型对合金液的冷却强度，使铸件在整个截面上都能生成均匀、细小、非枝晶的晶胞组织。MX法现主要用于生产镍基高温合金的熔模铸件、铸锭和可锻坯件。

在20世纪90年代中期国内研究和开发了属于动力学法范畴的细晶铸造工艺——铸型搅动法（Mould-Agitation法），简称MA法，并建立了ZGX-25型细晶铸造真空感应炉。利用该设备可铸造出外形尺寸达300mm、重量达50kg的细晶铸件。在该设备上不但能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型搅动法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。其工艺原理与GX法相近，如图2所示。

图2 MA法工艺原理示意图

ZGX-25型细晶铸造炉具有预热铸型的加热器，并有能使铸型单向/双向旋转功能的机构。铸型搅动法（MA法）细化铸件晶粒基于在凝固过程中对枝晶破碎、增殖形核质点的原理。具体工艺步骤为：将模壳装卡在专用的铸型系统中，并预热至规定的型壳温度。在对合金熔液精炼干净后，调整好浇注温度，然后浇入型壳中，静止一段时间后，铸型双向搅动，直到凝固完毕。

高温合金熔炼工艺

一、引言

高温合金是一种特殊的合金材料，通常用于制造航空航天领域的零部件，如发动机涡轮叶片、导向叶片等。由于高温合金具有优异的高温强度、耐氧化性和耐腐蚀性，因此在航空航天领域具有重要的应用价值。高温合金的熔炼工艺对于材料的性能和质量具有重要影响，因此需要采取一系列严格的工艺控制措施，以确保高温合金材料的质量和性能。

二、高温合金的特性及应用

高温合金是一种特殊的金属材料，具有优异的高温强度、耐腐蚀性和耐氧化性。由于其优异的性能，高温合金广泛应用于航空航天领域，如航空发动机、航天器零部件等。高温合金通常由镍、铬、钴等金属元素组成，具有高温下的良好机械性能和耐热性能，因此在航空航天领域具有重要的应用价值。

三、高温合金熔炼工艺 1.原材料选取：高温合金的熔炼工艺首先需要选择优质的原材料，通常采用超高纯度的金属粉末作为原料，确保合金的成分和纯度符合要求。

2.合金配方设计：根据高温合金的使用要求和性能要求，设计合金的配方，确定各种金属元素的配比和添加量。合金的配方设计对于材料的性能和品质具有重要影响，需要进行严格的控制。

3.熔炼工艺控制：高温合金的熔炼需要通过真空熔炼、气氛保护熔炼等特殊的工艺控制手段，确保合金材料在高温下保持纯净，避免氧化和杂质的混入。

4.精炼处理：熔炼后的高温合金需要进行精炼处理，通过真空脱气、气氛调节等工艺手段，进一步提高合金的纯度和质量，确保材料的性能优良。

5.铸造成型：熔炼后的高温合金通过静压成型、热压铸造等工艺手段，制备成各种形状和尺寸的零部件，符合航空航天领域的使用要求。 6.热处理工艺：高温合金的热处理工艺对于材料的组织和性能具有重要影响，通过调控热处理参数，提高合金的强度、硬度和耐热性能。

7.检测和质量控制：高温合金的熔炼工艺需要进行严格的检测和质量控制，通过金相分析、显微组织观察、化学成分分析等手段，确保合金材料的质量和性能符合要求。

四、高温合金熔炼工艺的发展趋势

高温合金生产工艺

高温合金生产工艺是指在高温下制造高温合金材料的过程。高温合金具有良好的高温性能，广泛应用于航空航天、石化、电力等领域。下面将介绍高温合金的生产工艺。

高温合金生产工艺主要包括原料准备、熔炼、热处理和成型。

首先是原料准备。高温合金的主要成分是金属元素和合金元素。金属元素主要包括镍、钴、钛等，合金元素主要包括铬、铝、钽等。这些元素需要通过冶金方法提取和净化，确保原料的纯度和稳定性。

然后是熔炼。高温合金的熔炼通常采用真空感应熔炼或真空电弧熔炼。在熔炼过程中，将预先准备好的金属和合金元素按照一定的配方比例放入熔炼炉中，并施加高温和真空环境，使其熔化和混合均匀。熔炼过程需要根据具体合金的特性进行控制，以确保合金的成分和性能符合要求。

接下来是热处理。热处理是高温合金生产过程中非常重要的一环。通过热处理，可以改善合金的晶粒结构和力学性能。热处理工艺主要包括退火、固溶处理和时效处理。通过控制热处理的时间、温度和冷却速度等参数，可以调整合金的晶体结构和相变，使得合金具有良好的高温强度和高温抗氧化性能。

最后是成型。高温合金的成型工艺主要包括热加工和冷加工两种方法。热加工主要是指铸造、锻造和热轧等工艺，通过加热和机械变形来制造高温合金的零部件。冷加工则是指通过冷变形，如冷轧、冷拔等工艺来制造合金的线材和板材等。这些成型工艺需要根据具体的合金材料和零部件的要求来选择和控制，以确保合金材料的成型精度和性能。

综上所述，高温合金的生产工艺包括原料准备、熔炼、热处理和成型等环节。每个环节都需要严格控制工艺参数，以确保合金材料具有良好的高温性能和颗粒结构。高温合金的生产工艺是一个复杂而精细的过程，需要依靠先进的设备和技术来实现。