变形高温合金和等轴晶铸造高温合金材料.pdf
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1、第 46 卷2010 年 11 月第 11 期第 1303一1321 页今 扁 学 玻N O.l lA C T A M E T A L L U R G IC ASIN IC A认?1.4 6N ov.2010P P.13O3一 1321变形高温合金和等轴晶铸造高温合金材料与应用基础理论研究?郭建亭(中国科学院金属研究所,沈阳11 0 0 1 6)摘 要综述了变形高温合金和等轴晶铸造高温合金研制过程中的有关应用基础理论,主要涉及 3 个方面:变形高温合金和微觉元素的作用机理;等轴晶铸造高温合金和蠕变机理研究;抗热腐蚀高温合金和新相变的发现及蠕变 一疲劳 一环境交互作用.关键词变形高温 合金,等轴
2、晶铸 造高温 合金,微量元素作 用机 理,蠕 变机理,相 变中图法分类号T F777?1文献标识码A文章编号0412一1961(2010)11一 1303一19R E V IE WO N W H R O U G H T SU P E R A L L O YA N DE Q U I-A X E DC R Y S T A LC A S TS U P E R A L L O YMA T E R IA L SA N DT H E IRA P P L IC A T IO NB A S ICT H E O R IE SG U O五an tzn gIn stitu te of M eta l R esear
3、eh,C h in ese A ead er n y of S eien ees,Sh e盯 an g 110 0 16C o rr e sPondent:G UO 几ant:ng,P7 设 斥ssor,T e l:厂 O忍 子)习,971917.E 一?a;l:jt goo回;?:r.ae.enM an useriP t reeeived 2010一 0 9一 13,in revised f o rm20 10一10 一 18A B S T R A C TS om e app l ieation basie theories related to th e researeh an d dev
4、el oP m ent of w roug htsuP eral loys an d equ ia x ed grain east su perall oys w ere review ed sim P l y.T h e m ain eontents are w roug l ztsuP erall oys an d m eehan i sm s of ef f e et of m inor elem ents;eq uiax ed erystal east su p erall oys an d ereepm eeh anism s;and hot一 eorrosi on resistan
5、t su P erall oys and diseovery of new p hase transf o rx,lati on as w ellas i nteraetion ef f e et of ereeP一 f a tigue一 env i ronm ent.K E YWO R D Sw rought suP erall oy.equ i ax ed ery sta least suP eralloy,m eel lanismof ef f e et of m inorelem ents,ereeP m eeh anism,P hase tran sf o rm ation中国科学院
6、金属研究所早在 1957年就开始研制变形高温合金和等轴晶铸造高温合金,在 2 0世纪 7 0年代开始研制等轴晶抗热腐蚀铸造高温合金,先后研制成功约 30种牌号的高温合金,这些合金都已用于或即将用于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片?导向叶片和涡轮盘等零部件.在这些合金的研制过程中,开展了高温合金的应用基础理论研究,重点是研究高温合金中微量元素的作用及其机理,接近使用状态的力学性能,以及相变和蠕变 一 疲劳 一 环境交互作用.中国科学院金属研究所先后研制与合作研制成功的变形铁基高温合金有 G H 2135,G H 2761,G H 2984,G H 21O7,G H 29OI,G H ZO35A,G
7、 H 29O3 和 G H 2328,变形镍基水收到初稿日 期:2010一 09一 13,收到修改稿日期:20 10一 10一 18作者简介:郭建亭,男,1938 年生,研究员D O I:10.3724/SP.J.IO37.2010.OO474高温合金有 G H 4413,G H 3044G H 4698G H 4742 和GH 4 1 6 9,它们的化学成分和主要力 学性能见文献 1一6.本文简要介绍几种有代表性的研究成果.1变形高温合金和微量元素作用1.1铁基高温合金 G H 2135G H 2135 合金主要用作涡轮盘材料,也曾经用作涡轮叶片和燃气轮机的火焰筒等不同结构件 11.1.1.
8、1合金的成分和显微组织特 查?G H 2 1 35 合金成分的最大特点是仅含 3 5%N i 和 15%C r(质址分数).与镍基合金 G H 4O33 相比可节省 4 1%的 N i 和 5.5%的 C r.G H 2135 合金还利用了约 4%的 W+M o 进行固溶强化以及加入了约 5%的 A I+T i进行沉淀强化,而G H 403 3仅加入了约 3.4%的 A l 十T i 形成 丫 强化,前者 丫 相的数量为 12%一16%同,而后者则只有 7.3%一9.1%2.G H 2135 合金金相组织的最大特点是沿晶分布的链1304金属学报第 46 卷状碳化物不是 从 3C 6,而是二次
9、T I C.通常认为含有2%W和 2%M O 的铁基或镍基高温合金,应该有 从 3C6相沿晶界析出.但电解萃取相的 X 射线衍射分析没有发现 几 九3C6,甚至将萃取相进行相分离,只保留碳化物和硼化物相,仍然只发现 T IC.G H 2135 合金低温沿晶断口的萃取复型证明,晶界上的颗粒相主要是 83 0?第一次时效处理时析出的二次 T I C,有时也发现有少量颗粒状 蛛 BZ相在晶界存在.1.1.2合金的力学性能特点G H Z135 合金的综合力学性能已达到镍基 G H 4033 合金水平.但 G H 2135合金与 G H 40 3 3 合金比较,有 2 个重要的特点.(l)良 好的低周疲
10、劳性能在同样的实验条件下,G H 2135 的周期持久性能和有疲劳载荷下的持久时间都明显优于镍基合金 G H 4033,相应数据要高 1一1 0 倍.其它低周疲劳性能,如恒应力控制的缺口 试样的低周疲劳也都显示出明显的优越性 v .在 650?/600 M Pa 条件下,G H2135 合金周期持久循环断裂次数为 G H 403 3合金的 1.6一9 5 倍,持久时间约为 G H 4O33 的 2 倍,G H 2135 合金在有交变应力条件下的持久断裂时间为 G H 4033 合金的 2一5 倍,纯持久断裂时间为 G H 4O33 的 2 倍.此外,G H 2135 合金在涡轮盘工作的温度和应
11、力情况下,蠕变 一疲劳交互作用系数 B=O,而 G H 4O3 3则为 4.蠕变 一疲劳交互作用通常可用下式表示:套十 可:里.:竺?十:竺一 1(l)了 Vf了 丫ftr/艺 r式中,N 为循环次数,N f为断裂循环次数,B 为蠕变 一疲劳交互作用系数,tr 为纯持久断裂时间,艺?t 为累积持久时间.交互作用系数 B=O,说明蠕变损伤与疲劳损伤没有交互作用;而 B=4,说明两者之间有明显交互作用,使损伤更严重.尽管 G H 2135 合金和 G H 4 0 3 3合金处于同一条件,由于蠕变 一低周疲劳交互作用而使 G H 4O33 合金使用寿命显著下降,其总周期数和总寿命都只有 G H 21
12、35合金的 40%同,更加显示了 G H 2135 合金在低周疲劳方面的优越性.所以,利用 G H 21 3 5 合金制作航空发动机涡轮盘是十分有利的.(2)随温度不断升高的 屈服强度.高温合金的屈服强度一般随温度升高不断降低,而 G H 2135 合金的屈服强度随温度升高不断增加,直到 750?才开始缓慢降低,这是 G H 2135 合金力学性能的又一特点.所以 G H 2135 合金制作 750?以下使用的涡轮盘?导流盘和其它高温零部件是非常有利的.在 2 0世纪 7 0年代,大量用作 W P 一 6和 W P 一 6 甲发动机一?二级涡轮盘,装备 1000 多架歼击机在外场正式使用.1.
13、2涡轮盘用铁基合金 G H 2761 和 G H 290 1除 G H 2135 合金制作航空发动机涡轮盘外,还发展了 2 种铁基涡轮盘合金 G H 276 1和 G H 290 1,其 N i含量均达 43%,分别用于昆仑和秦岭航空发动机.1.2.1G H 2761 合金G H 2761 是 F e 一 N i 基高温合金,它具有很高的屈服强度(室温屈服强度可达9 7 1 M Pa)和良 好的低周疲劳性能,可用于 75 0?以下工作的涡轮盘?压气机盘等零件 1 5 .在 G H 27 6 1 合金研究中最重要的工作是发现适量 P可有效提高持久寿命而强化高温合金?一?3.在此之前,人们普遍认为
14、 P 是有害杂质元素,应控制得越低越好.我们的结果表明,P 含量对持久寿命的影响最显著,在 P 含量为 0.01 6%时持久时间出现明显峰值,达 66O h,是 P含量为 0.0005%时的 4.7 倍 l 0,川.P 含童对持久时间的影响与P 偏聚于晶界从而改变了晶界的行为有关.P 偏聚于晶界,改变晶界主元素之间的键合关系 形成某种原子团,增加原子间结合力,提高晶界强度,并促进晶界相形核?产生沉淀相,主要是 从 3C 6 和 几 或 B Z 相.P 含童太低,原子间结合力增加不明显,并会形成很多无沉淀的晶界;P 含量太高,导致过多的连续分布的晶界沉淀.前者因晶界强化不够,而后者造成了脆性薄膜
15、包围晶界,都使G H 276 1合金持久时间急剧降低.只有约 0.01 6%的P 含量达到最合适的晶界强化状态,有力地阻止晶界滑移和晶界裂纹的形核与长大,所以,持久时间最长 s .G H 2 7 6 1合金中 P的有益作用的发现,应用到G H 4 1 6 9变形镍基高温合金,发展成一种含 P 和 B 的改型的 G H 41 6 9G 合金.1.2.2G H 29OI 合金G H 2901 合金是应用于涡扇八发动机用涡轮盘材料,其成分特点是高 T i低 A I,形成的 亚稳丫一 Ni 3(T i,A劝相起沉淀强化作用.技术条件规定 A I含量 三 0.30%,但不是 A I含童越低越好,甚至可以
16、不加 A I,因为如果不加 A l 或 A I 含量很低,例如残留量0.1 5%,丫相数量仅7.0%,而加入0.3 0%A I,丫相数量可达 1 2%.对应室温和6 5 0?的拉伸强度迅速上升,持久时间也略有增加,进一步提高 A I含量,强度有缓慢增加趋势.此外,如果不加Al,或加入量不足(严?0Le se se se se se se s口e se ee s 上 e s e se estrength(a)?,飞 d pl as,i ei ty(b)at 900?5?,631600 厂?-?一?一 一 一 一 一 一 一 一,8 5 0 OC门d 乏 石02 0 004 0 006 0 0 0
17、8 00 010 0 0 0Long一 t e 溯 ag一 ng 生 im e,hO 匕10,图 9K 452 合金 丫 相的尺?J?和体积分数随时效时r 飞;J的变化 61F i g.9E f f c ets of 1 0:19 一 term aging tim e on?i ze(a)arl d v o l-ul,?f raeti on(l)of丫 pha s oI 61图 11K 435 合金氏 达 1火 1()a1 1的持久实验结果 犷JF ig.l lR 注 甲t一 zreprop or七 i(?s(?fK 4 35a lloyatd i爪?rex一 ttcrxlp erat一 re
18、?几 71312金属学报第 46 卷相析出极少,以使合金的力学性能基本不受影响.铁基高温合金 G H 2135 经标准热处理后再进行长期时效,也可能析出a 相.例如,65 0 一85 0?长期时效均可析出 二相,符合 C 曲线规律.A l 和 T i 含量超过技术标准上限的GH 2135 合金,经800?/SOO h 长期时效后析出的针状 a 相形貌见图 1 3 图.此外,高A I,Ti的G H 2135 合金经950?/16 h 时效,从 守奥氏体中还可直接析出长条状 La v e s 相 s .峪 尧吓_狡夕 浦丫?才?户 卜?铸造合金,主要用作 W S一 9 发动机一级涡轮导向器叶片材料
19、,已成批生产.K 444,K 452,K 435,K 446 和 G H 4413 抗热腐蚀高温合金,应用于 3.9x 104 马力舰用燃气轮机制作全部六级涡轮叶片?六级导向叶片以及整流支柱,目前已通过7 5 O h 长期试车考核.K 4 4 4 合金用于制造工作温度不高于900?的一?二级涡轮叶片,为矩阵式气冷空心结构.K 435 合金用于制造工作温度不高于 900?的三?四级涡轮叶片,为实心?大尺寸叶片.镍基变形高温合金 G H 441 3用于制造工作温度不超过 850?的五?六级实心涡轮叶片.K 45 2合金用来制造全部六级涡轮导向叶片一 级导向叶片共 40 件,最高工作温度 9 0 0
20、?.二级导向叶片共4 5片,工作温度 9 1 7?.三级至六级导向叶片为 2 件组,叶片表面均采用复合式防护涂层.K 446 合金用于制作工作温度不超过 700?的涡轮整流支柱?与此同时,K 444 和K 452 合金应用于 F 级重型燃气轮机RO ll0(110 M W)的涡轮叶片和导向叶片.RO llO重型燃机是目前我国自行研制的最大功率燃气轮机,全部一至四级涡轮叶片都采用 K 444 合金制造,其中一级和二级涡轮叶片为空心叶片,三级和四级涡轮叶片为实心叶片.第四级叶片长度达 600 m m,是国内目前最大的铸造高温合金无余量精铸涡轮叶片.R O ll 0重型燃机全部一至四级导向叶片都采用
21、 K 452 合金制造,为大尺寸空心叶片.3.3高温合金中的相变凝固过程发生的相变如 L*(守 十 肠 BZ)共晶,L*行+La v es)共晶,L?(守+丫)共晶,L*(守 十 M C)共晶和L?(,+从 3C6)共晶等,以及沉淀反应,如今 奥氏体中析出丫,丫,NI AI,Ni ZAI Ti,N i 3Ti,N i 3Nb 和碳化物,硼化物,硫化物,硅化物等的 研究结果见文献 口,4.抗热腐蚀高温合金由于高温使用时间长,达上万至几十万小时,因此在长期使用或长期时效过程中不可避免地要发生不同的相变.其中以T CP 相析出?八 fC 退化反应和 丫 相中的沉淀最引人注意.3.3.1T C P 相
22、析出高温合金中产生的 T CP 相有 a,L a v es 和 拜相等.高温合金在长期使用过程中如果出现大量的片状T C P 相,往往造成力学性能严重降低,绝大多数抗热腐蚀高温合金都具有组织稳定的特点,长期使用过程中不析出T C P 相,但也有极少量合金,如K 444 合金,其化学成分处于析出T C P 相的临界电子空穴数边缘.成分偏上限,往往在合适的时效温度或使用温度保持一定时间就析出二相.K 4 4 4 合金经85 0?长期时效 5x l沪 h析出的?相见图1 2 a 洲.在9 0 0?/1 8 0 M Pa 条件下持久时间为 1449 h,断裂后断口附近的组织见图 1 2 b 3.可见,
23、裂纹沿 J 相薄片扩展,造成断裂.将 K 444 合金中的A l,T i和 C r 含量控制在中下限可避免 a 相析出,或使 a长效图12 K 444 合金经850?/sxlo3 h 长期时效 1 57和900?/180 M P a 条件下持久时间为 1449 h 断裂后断口附近的,相 3F ig.12J P ha se in K 444 sPeeim en af t or lo ng 一 termaging at800?a n d sx 一 o3 h(a)?571?nd near斤aetl l re,urfaeein f r aetured sPeeim en at rup tu re ti
24、m e 14 49 h,900?and 380 M p a(b)3,?几?;了黔 代,声,洲创声 产沙 脚 口?峥 呻尸沪?矛切.月?.甲 户?,J晒二犷?户.?甘安 鑫 甘罗试 孙一?洲口?矿护一幼?大,?.?J?扮扩沙!-今?夕?尸了z,卜?子?扮 丫 二 盆飞 代之一,吧_:介,.沙沪?20 似m勺?一尸?玉 人图 13 高A I高T i含量的G H 2135 合金经500?/50的针状 a 相 阁F ig.1 3N e e d le 仃 P h a s ein G H 2 13 5 allo yw ith highof 3.04%A l an d 3刀2%T i a f t er l
25、on g一 ter了 n8 00?an d 50 0 h?3o h 析出Co l l te lltSa gjn ga t第 n期郭建亭:变形高温合金和等轴晶铸造高温合金材料与应用基础理论研究1313高温合金成分复杂,主要合金元素有 1 0多种,不可能用多元相图来表示合金中各种相的转变.用成分相区图可清楚地表示主要成分变化对过饱和固溶体沉淀析出相的变化.本文作者 s 在系统研究 A I 和 T i 等合金元素对一种 35N i一 1 5 C r 型铁基高温合金沉淀反应相转变的影响时,用 A I 和 T i 作纵?横坐标作出了 T C P 相相区图,见图 14.35N i一 15Cr一 ZW 一
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