高温合金整体叶轮铸造技术的研究进展

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V o. 25 N o 3 l , . June 2005

2005年 6月

JOURNAL OF A ERONAU

T ICAL MAT ER I LS A

高温合金整体叶轮铸造技术的研究进展
汤 鑫, 曹腊梅, 李爱兰, 盖其东, 刘发信
(北京航空材料研究院, 北京 100095) 摘要: 评述了高温 合金整体叶轮铸造技术的发展现状, 介绍了高温合金 整体叶轮铸造合金材料的发展, 重点阐述了 高温合金整体叶轮细晶 铸造技术及双性能整 体叶 轮铸造 技术, 并 指出了 高温 合金整 体叶 轮的 发展趋 势及 应用前 景。 关键词: 高温合金; 整体叶轮; 铸造技术; 细晶; 双性能 中图分类号: TG132 3+ 2 TG249 5 ; 文献 标识码: A 文章编号: 1005 5053( 2005) 03 0057 06

在发动机中, 高温合金叶轮位于燃烧室和导向 器之后, 叶片必须工作于高温腐蚀性燃气环境中, 承 受高温腐蚀性气体的直接冲击和因此带来的极高的 热应力和机械应力, 容易发生蠕变断裂。此外, 叶轮 工作时, 转数极高, 导致轮盘部位遭受巨大的机械应 力, 轮盘容易开裂。 早期, 叶轮的制造方法是将锻造盘和铸造叶片 通过机械加工然后装配在一起。这种制造方法周期 长, 成本高, 装配精度不易保证。为了降低叶轮的制 造成本, 20世纪 60年代末出现了将叶片和轮盘连 在一起整体铸造的技术, 当时主要用作地面涡轮增 压器叶轮。随着铸造工艺水平的提高, 整铸技术扩 大应用到航空发动机上。目前 1500k 以下的小型 W 涡轴发动机广泛采用轴向和径向整体铸造叶轮 ( 图 1) 。这不仅降低了叶轮的制造成本, 而且避免了榫 头装配的应力
[ 1]

图 1 各种发动机用整体铸造叶轮 F ig 1 . Investm ent cast in teg ra l turb ine w hee ls

的, 其涡轮工作叶片同时承受高温、 燃气腐蚀、 离心 力、 弯曲应力、 热应力、 振动和热疲劳的作用, 因此要 求叶片除了应具有良好的抗氧化性、 耐腐蚀能力和 足够高的强度外, 还应具有良好的机械疲劳、 热疲劳 [ 2] 性能以及 足够的塑性和冲击韧 性 。而涡 轮盘部 分虽然工作温度比工作叶片低, 但其应力条件异常 复杂, 轮毂和辐板等各部位所受应力、 温度、 介质作 用程度不同, 因此对涡轮盘的基本性能要求为: 高的 屈服强度、 抗拉强度和塑性, 足够的持久、 蠕变强度 和低循环疲劳强度, 良好的耐蚀性能和组织稳定性。 基于对涡轮的工作叶片和涡轮盘的不同性能要 求, 大中型航空发动机的涡轮制造方法是将涡轮盘 和工作叶片分别单独制造, 然后机械加工装配在一 起形成涡轮。这种制造方法可以有针对性的将工作 叶片和涡轮盘选用不同的合金材料。针对涡轮叶片 的工作环境, 所选用的材料由早期的普通等轴晶合 金如 I 713C, IN713LC, I 100 B1900 I 738 IN792 N N , , N , , M ar M 200 M arM 246等, 发展到含较 高 Co, W, T a , , H , Re的定向凝 固高温合 金如 PWA1422 Rene80 f , ,

。随着铸造技术和 高温合金材料

的飞速发展, 人们已经可以获得所期望的特定显微 组织的整铸叶轮。

1 整体叶轮铸造合金材料
随着航空科学技术的进步和发展, 航空发动机 的性能不断日益完善和提高, 正朝着高推重比、 高推 力和低油耗、 长使用寿命的方向发展。与十年前相 比, 航空发动机的功率提高了 25 , 推重比达到 ( 12 % ~ 15) 1 燃油消耗降低了 30 ~ 50 , 涡轮进口温 , % % 度超过了 2000 。做为航空发动机核心部分的涡 轮 (工作叶片与涡轮盘 ), 它的工作条件是相当恶劣
收稿日期: 2004 03 02; 修订日期: 2004 12 09 作者简介: 汤鑫 ( 1965 ), 男, 高级工程师, ( E m a il) x in. tang @ b iam. ac cn .

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M 247 Rene125 CM 247LC 以 及单 晶合金 如 C SX , , M 2 CMSX 3 CM SX 4 PWA1480 PWA1484 CM SX 6 , , , , , , CM SX 10等。针对涡轮盘的工作环境, 所选用的材 料为变形高温合金通过锻造或铸造高温合金通过铸 造或粉末冶金方法制造, 变形高温合 金材料包括: A stroly AF2 1DA, R ene95 I 718 I 901 M 252 Re , , N , N , , ne41 Rene62 W aspaloy等, 铸造涡轮盘高温合金材 , , 料有 I 713C, I 713LC, GMR235 等, 粉末 涡轮盘材 N N 料 包 括: I 100 U700 I 713C M ar M 246 NASA N , , N , , TRW V I , TAZ 8A, B1900 I 718 W aspaloy Re A , N , , ne95 I 792等。 , N 在激烈的市场竞争过程中, 发动机的经济性越 来越为人们所关注, 为了降低制造成本, 目前小型涡 轮发动机基本上均采用整体铸造叶轮, 即将叶片和 轮盘一次整体铸造而成。这样不但大大降低了叶轮 的制造成本, 而且在设计上也有许多优点。 在目前先进的小型发动机上, 整体叶轮叶片的 极限 温度 大 于 1000 , 转 数超 过 100000rev /m in。 在这样高的温度和转数条件下, 整体叶轮承受很高 的机械应力和热应力, 容易造成叶片和轮毂断裂。 为了解决这些问题, 人们除了不断研究探索整 体叶轮新的铸造工艺技术外, 也在同步研究强度和 承温能力更高的新型合金材料。 20世纪 70~ 80年 代, 美国 H owm et公 司开发 成功了 基于 M arM 247 , I 792+ H f定向合金材料的 GX 细晶工艺。应用该 N 工艺可制造具有细晶轮毂的高温合金整体叶轮, 大 幅度改善了整体叶轮轮毂抗开裂能力和叶片的承温 能力, 可降低叶轮的设计 重量, 提高 叶轮的工作转 数, 延长叶轮的工作寿命。但是, 整体叶轮外围的叶 片仍然是等轴晶组织。当这些等轴晶叶片在更高的 温度下工作时, 由于蠕变、 热疲劳和氧化, 通常容易 在晶界发生断裂。因此, 如果将整体叶轮外围的叶 片铸造成平行于应力方向 ( 进气边和排气 边 ) 的柱 状晶, 则可大大改善叶片的蠕变强度和抗热疲劳性 能, 工作寿命长, 而且成本又明显低于单个定向叶片 和锻造盘 /粉 末盘通过 机械加工装配形成的涡轮。 从而使得整体涡轮既具有优良的工作性能, 又具有 优越的经济性。为此, 美国于 20世纪 70年代开始, 大量开展了具有定向叶片和等轴细晶轮毂的整体叶 轮铸 造 工 艺 研 究。 研 究 成 功 了 基 于 M arM 247 , CM 681定向合金材料的双性能整体叶轮铸造技术, 即整体叶轮的叶片为定向柱晶, 轮盘为等轴晶。

普通真空精密铸造方法铸造而成。这种普通铸造的 整体叶轮在轮盘区域往往形成粗大晶粒, 而在轮盘 外围的叶片区域又形成较细的等轴晶粒 (图 2)。随 着对燃气涡轮发动机的工作效率越来越高的追求, 涡轮的进口温度和转数越来越高。叶轮承受很高的 机械应力和热应力。因此普通铸造叶轮已经不能满 足先进发动机的使用要求。

图 2 普通铸造叶轮 F ig 2 Conventiona l cast integ ral turb ine wheel .

为了解决这些问题, 人们除了不断研究使用强 度和承温能力更高的合金材料外, 整体叶轮的铸造 工艺也在突飞猛进的发展。 首先, 为了解决整体叶轮轮盘晶粒粗大的问题, 国内外从二十世纪七十末到八十年代末, 大量开展 了高温合金整体叶轮细晶铸造工艺的研究。轮盘晶 粒尺寸和形态可由普通铸造的 4mm 以上的粗大树 枝晶细化至 1 6~ 0 2mm 的均匀细小的等轴晶。大 幅度改善了叶轮轮盘在中低温下 ( 轮盘的工作温度 区间 ) 的拉伸、 持久性能特别是低周疲劳性能, 降低 了力学性能数据的分散度。 高温合金整体叶轮细晶铸造工艺方法可分为: 热控法、 机械法和化学法。热控法被认为是最简单 实用的细晶技术, 而且最容易在普通铸造工艺上加 以改进应用。它是通过降低合金的浇注温度, 增大 合金凝固期间的金属过冷度使结晶核心增多, 并缩 短合金凝固时间限制晶粒长大来获得细晶铸件。如 美国的 A iresearch公司在 生产 M ar M 247轴 向细晶 叶轮时, 采用 1100 型壳温度, 浇注过热度控制在 22~ 28 , 获得 的晶 粒度等 级为 ASTM 1 ~ 2 级
[ 2]

( 图 3)。但这样低的浇注温度, 导致合金的流动性 很差, 对于整体叶轮这类复杂铸件, 往往造成叶轮周 围的薄壁叶片严重欠铸, 铸件容易形成疏松, 需要进 行热等静压处理。并且过低的浇注温度也容易将氧 化夹杂带进铸件。此外, 热控法在使叶轮轮盘获得 细晶粒的同时, 也使叶片获得细晶粒。这样的叶片 不能满足高温下的耐热性要求, 因而热控法细晶工 艺的应用受到了限制。

2 高温合金整体叶轮细晶铸造技术
在 20世纪 60年代末, 高温合金整体叶轮采用

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国 GE 公司规定不允许采用这种细晶工艺方法。 20世纪 70~ 80年代末, 美国 H owm et公司开发 成功了 G rainex (简称 GX ) 和 M icrocast X ( 简称 MX) 专利细晶工艺。 GX 工艺 是第一代细晶工 艺, 属于机械法细晶工艺, 它是在合金浇注和凝固过程 中使型壳正反旋转, 破碎型壳壁上最初形成的枝晶 使之均匀分布于整个熔体中形成结晶核心, 使得晶 粒细化。此外, 从型壳中心到型壳壁的热梯度得到 降低, 因此不管铸件截面壁厚如何变化, 均能获得均 匀细小的等轴晶, 晶粒度达到 ASTM M 9 ~ ASTM 2 级 ( 1 6~ 0 18mm )。但是, 型壳的正反旋转容易使 铸件产生疏松, 因此铸件需要 进行热等静压处 理。 由于 GX 工艺采 用了普通 浇注温度 或较高的 过热 度, 所以铸件的纯净度高。相比之下, 热控法细晶工 艺主要依赖于很低的浇注温度, 容易卷入氧化夹杂。 MX 工艺是第二代细晶工艺, 它使金属液的过 热度控制在熔点以上大约 11 ( 20 ℉ ) , 然后浇注 到预热的型壳 里。在浇注过 程中对金属液 施加扰 动, 增加金属液的面积与体积比, 结果加快了散热速 率, 可使铸件获得接近锻件一样的晶粒组织, 晶粒度 达到 ASTM 3~ 5 级。但铸 件需要进 行热等静 压处 理。 几种细晶工艺的晶粒组织见图 4 力学性能见 , 表 1和表 2 。
[ 4] [ 5]

图 3 M ar M 247合金热控法细晶叶轮 F ig 3 A lloy M a rM 247 cast turbine w hee l by the r al con . m tro l fine grain process

化学法是通过加入孕育剂, 增加外来结晶核心 来使铸件晶粒细化。铸铁和有色合金铸件经常采用 这种方法。对于高温合金铸件来说, 它是通过将细 化剂 (通常为金属间化合物或硼化物 ) 直接加入到 合金液内而使晶粒细 化
[ 3]

。由于高 温合金铸件的

熔炼浇注都在真空炉内进行, 因此不太容易控制细 化剂的加入工艺, 且化学法细晶工艺还需依赖于较 低的浇注温度。不同 牌号的合金需 要不同的细化 剂, 应用受到了限制。尤其严重的是细化剂的加入 容易带进外来夹杂, 它是铸件疲劳裂纹的根源 。 美

图 4 H owm et公司不同铸造工艺对整体涡 轮晶粒度的影响 F ig 4 E ffec t of casting process on the gra in size of tu rbine ro to rs( Produced by H o e t Co ) . wm .

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I 713LC 几种铸造工艺方法铸造的整体叶轮的平均力学性能 N IN713LC turbine whee l average m echanica l properties Conventional cast process GX fine gra in process 35000 848 5. 1 8. 7 47 6. 0 Ther a l contro l fine grain process m 35000 917 6. 9 9. 4 97 1 . 15 0 .

T ab le 1

L o cyc le fatigue life (N f ) / cycles( 260 w T ensile /M Pa E longa tion /% 982 R A /% /152 M Pa Stress rupture life /h E longa tion /%

)

20000 848 6. 1 10. 5 109. 8 5. 2

表 2 718合金不同工艺方法的力学性能 T ab le 2 A lloy 718 m echanical properties room temperature tensile properties Room temperature tensile properties So rt
b

/M Pa

0. 2

/M Pa E l/% 31. 8 15. 1 16. 3 16. 7

L o cyc le fatigue life w R. A /% 48. 1 23. 1 28. 9 31. 2 M X a lloy 718 is 2 ti es tha t of m conv entiona l cast+ H IP m ate rials

H igh cyc le fatigue life M X alloy 718 is 5 to 14 ti es longer than that o f m conventiona l cast+ H IP m ate rials

W rought M icrocast X Conv entiona l cast+ 1120 H IP Conventiona l cast + 1165 H IP

1317 1146 970 1017

1056 942 831 891

我国北京航空材料研 究院于 20 世纪 90年代 末, 研究成功了高温合金整体叶轮铸型搅动细晶铸 造工艺, 它是通过铸型的正反旋转搅动细化叶轮轮 盘的晶粒, 晶 粒度达 到 ASTM 2 ~ 3 级 ( 图 5 )。与 H owm et公司的 GX 细晶工艺比较 ( 图 6), 铸型搅动 细晶工艺的晶粒细化效果优于 GX 工艺。

久和蠕变性能, 细晶粒组织在中低温下具有好的拉 伸性能和低周疲劳性能。而叶轮上的叶片工作在高 温区, 轮盘则工作于中低温区。因此, 如果能将叶轮 的叶片铸造成平行于叶片进气边和排气边的定向柱 晶, 轮盘铸造成细小等轴晶, 那么这样的叶轮就能充 分适应叶片工作时的受力特点和在高温下工作的要 求, 也能使轮盘尽可能地承受叶轮高转速带来的机 械应力, 工作寿命长, 同时大大降低了制造成本。 然而叶片都是表面积大而体积小, 这种结构特 点促进叶片金属快速散热而凝固, 在激冷作用下形 成等轴晶。依据铸件凝固理论和金属结晶原理, 金 属凝固和晶体生长方向是热传输的反方向。为使叶 片最终形成定向柱晶组织, 必须抑制叶片因本身结 构特点而产生的激冷作用, 通过在叶片的端部周边 安置冷却材料或装置, 在叶片的上下端提供外来热 源和绝热材料, 精确控制叶片凝固时的温度梯度和 散热方向, 使叶片由端部沿径向向叶轮中心凝固结 晶, 直至最终凝固成定向柱晶, 见美国专利 4813470 ( 图 7)。由于叶轮型壳结构的原因, 在叶轮轮盘成 型部位有相对较多的金属, 在该部位生长的晶粒是 各向同性的, 最终可形成等轴晶。如果叶片凝固过

图 5 铸型搅动细晶叶轮 F ig 5 M ou ld ag itation fine gra in turb ine w hee l .

图 6 GX 细晶叶轮 F ig 6 GX fine g ra in turbine wheel .

程中, 向轮盘部位施加目前已成熟的铸型搅动细晶 工艺, 则可使轮盘获得等轴细晶
[ 6]

。

美国 H owm et公司为英国 Ro lls Royce公司 250

3 双性能整体叶轮铸造技术
众所周知, 定向柱晶组织在高温下具有好的持

Ⅳ型发动机研制成功了双性能一级叶轮, 合金材料 为 M ar M 247和 C 681 叶片为定向柱晶, 轮盘为等 M , 轴细晶二元组织 (图 8)
[ 7]

。

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力方向的柱状晶 (图 9) 。同时探索了高温合金定向 叶片 /细晶盘双性能整体叶轮凝固工艺, 初步研究得 到了叶片为定向柱晶、 轮盘为等轴晶的双性能整体 叶轮 ( 图 10), 但与双性能整体叶轮的真正应用还有 很大的技术差距。

1 Ce ra ic shells 2 m ou ld cav ity m ; ; ch ill b lock ; 4 shield 7 8 heat e le en t 9 ; , m ;

3 m ould asse ble m 5, 6 therma l crysta l se lec

coo ling w ate r passages ; vibra to r 10 ;

tor or m e tal seed; 11 m o lten m eta l 图 7 生产双性能叶轮的叶片定 向凝固和 轮盘振动细 晶 装置 F ig 7 The casting appara tus fo r producing double property . integral turbine wheels 图 9 K418B 合金控晶铸造整体叶轮 F ig 9 A lloy K 418B control gra in cast turb ine w hee l .

图 8 M arM 247合金 定向柱晶叶 片 /细晶 盘双性能整 体 叶轮晶粒组织 F ig 8 DS /GX castM a rM 247 whee l from the final casting . tr ia l sho ing directiona lly or iented g ra in in a irfo ils w 图 10 定向叶片 /等轴晶盘双性能整体叶轮 F ig 10 . D up lex property integ ra l turbine w hee ls w ith DS co lum n b lades and equ iaxed hub

与国外相比, 我国在双性能整体叶轮铸造技术研究 领域内尚处于起步阶段。而美国早在七十年代就开 始并一直研究双性能整体叶轮铸造 工艺及设备技 术。 Genera lM o tors A llied S ig na,l Ford M o tor A lli , , son Eng ine 以及 H owm et等公司都在此领域进行了 系列探索与研究, 并研制出了与之有关的成套工艺 技术和专门工艺设备, 申请了一系列专利。用专门 设备和相关工艺方法已经能够铸造 出叶片是柱状 晶、 轮盘为等轴晶的双性能整体叶轮。 北京航空材料研究院在铸型搅动细晶工艺的基 础上, 研究成功 了高 温合金 整体 叶轮 控晶铸 造工 艺
[ 8]

4 结束语
定向 细晶盘双性能整铸叶轮代表目前整体叶 轮铸造技术的最高水平, 我国应强研究与应用工作。 由于我国已经掌握轮盘铸型搅动细晶技术和叶片定 向凝固技术, 因此该项目的技术关键主要是将铸型 搅动细晶技术与叶片定向凝固技术有机的结合, 并 在工艺装备上加以实现。为此, 双性能叶轮先进合 金材料的研究、 工艺探索和工艺装备的研制工作应 该先行。可以预期, 双性能整铸叶轮铸造技术的研 究成功, 将为我国低成本高性能航空发动机的研制

, 通过铸型搅动细化 叶轮轮盘晶粒, 并控制叶

片的径向凝固温度梯度, 使叶片根部获得平行于应

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[ A ].

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提供技术储备, 并将我国高温合金铸造技术提升到 一个新水平。 参考文献:
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D evelopm ent of Casting Technology for Superalloy Integral TurbineW heels
TANG X in , CAO L a m e, i L I A i lan , GA I Q i dong , L I F a x in U

( B eijing Institute of A eronautica lM ater ia ls Be ijing 100095, Ch ina) ,

Abstrac t The deve lopm en t of invest ent casting process for integ ra l turbine whee ls using h ighe r strength nicke l base superalloy w as : m rev ie ed in th is paper T he prog ress in m ater ia ls for integra lly cast turb ine whee ls was presented. F ine g rain casting process and the w . duplex properties casting fo r supera lloy integra l turb ine whee ls we re introduced empha tica lly In the end, the deve lopm ent trends and . app lication prospect o f superalloy integ ra l turb ine w hee ls w ere proposed. K ey word s supe ra lloy in teg ra l turb ine w hee ; casting process fine g ra in; double properties : ; l ;



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