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金属学报  2015, Vol. 51 Issue (10): 1191-1206    DOI: 10.11900/0412.1961.2015.00442
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一种高性能航空涡轮盘用铸锻合金的研究进展
谷月峰1(),崔传勇1,2(),袁勇1,3,钟志宏1,4
2 中国科学院金属研究所, 沈阳 110016
3 西安热工研究院有限公司, 西安 710032
4 合肥工业大学材料科学与工程学院, 合肥 230009
RESEARCH PROGRESS IN A HIGH PERFORMANCE CAST & WROUGHT SUPERALLOY FOR TURBINE DISC APPLICATIONS
Yuefeng GU1(),Chuanyong CUI1,2(),Yong YUAN1,3,Zhihong ZHONG1,4
1 National Institute for Materials Science, Tsukuba, 305-0047, Japan
2 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016
3 Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032
4 School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009
全文: PDF(15484 KB)   HTML
摘要: 

针对航空涡轮盘用先进铸锻变形高温合金热加工难、承温能力低于680 ℃ (630 MPa, 1000 h持久寿命)、难以满足现代航空发动机设计需求等不足, 提出了优化析出强化相成分和引入微孪晶以提高合金中温区 (合金服役温区) 强度、同时减弱析出相高温强化效果和固溶温度以降低合金高温区 (合金加工温区) 强度的理念, 设计并制备出系列Ni-Co基铸锻高温合金(TMW合金). 设计合金盘坯(直径440 mm, 厚65 mm)的制备和性能测试表明, TMW合金可在常规熔铸和锻造设备上热加工制备, 承温能力超过700 ℃, 比目前最强的商用铸锻涡轮盘合金U720Li提高了50 ℃以上. 从TMW合金的设计思想、成分特点、锻造加工性、组织控制、性能特征和变形强化机理等方面, 简要介绍了这种高性能铸锻变形高温合金的主要研究进展.

关键词 铸锻高温合金TMW合金合金设计组织控制变形机理    
Key wordscast & wrought supralloy    TMW alloy    alloy design    microstructure control    deformation mechanism
    
基金资助:*国家自然科学基金项目51171179, 51271174, 51331005, 51401071和11332010资助

引用本文:

谷月峰,崔传勇,袁勇,钟志宏. 一种高性能航空涡轮盘用铸锻合金的研究进展[J]. 金属学报, 2015, 51(10): 1191-1206.
Yuefeng GU, Chuanyong CUI, Yong YUAN, Zhihong ZHONG. RESEARCH PROGRESS IN A HIGH PERFORMANCE CAST & WROUGHT SUPERALLOY FOR TURBINE DISC APPLICATIONS. Acta Metall Sin, 2015, 51(10): 1191-1206.

链接本文:

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2015.00442      或      https://www.ams.org.cn/CN/Y2015/V51/I10/1191

Parameter Decade Thrust- weight ratio Turbine inlet temperature / ℃ Turbine disc temperature / ℃ Disc alloy
1st generation aero-engine 1940~1950 2~4 825~1025 550 Heat-resistant steel
2st generation aero-engine 1950~1960 4~6 1025~1225 600 High-temperature alloy
3st generation aero-engine 1960~1980 7~8 1550~1700 650 Wrought superalloy
4st generation aero-engine 1980~date 9~10 1550~1700 700~750 Powder/fibre-reinforced wrought superalloy
5st generation aero-engine Future 15~20 1900~2050 780~950 -
表1  发动机涡轮前和涡轮盘缘温度的发展[1,2]
图1  涡轮盘的宏观形貌和服役时的相对温度和应力分布[3]
图2  涡轮盘用变形高温合金承温能力的发展过程[4]
图3  新型铸锻合金TMW的设计理念[8~11]
图4  金属间化合物Ni3Al和Co3Ti的屈服强度随温度变化的曲线[13~15]
图5  Ni-Al-Co-Ti合金四元相图[16]
图6  新型变形高温合金TMW设计理念图[10]
图7  新型变形高温合金TMW的设计方法[18]
Alloy Co Cr W Mo Ti Al Nb Ta Zr C B Ni
TMW 22.0~26.0 13.0~15.0 1.2 2.8 5.1~7.4 2.0~3.0 - - 0.03 0.02 0.02 Bal.
U720Li 15.0 16.0 1.3 3.0 5.0 2.5 - - 0.03 0.02 0.02 Bal.
ME3 20.0 13.1 1.9 3.8 3.6 3.5 1.1 2.3 0.05 0.04 0.03 Bal.
LSHR 21.0 13.0 4.3 2.7 3.5 3.5 1.5 1.6 0.05 0.03 0.03 Bal.
Alloy10 14.9 10.2 6.2 2.7 3.9 3.7 1.9 0.9 0.10 0.03 0.03 Bal.
RR1000 18.5 15.0 - 5.0 3.6 3.0 - 2.0 0.06 0.03 0.02 Bal.
表2  TMW合金和一些对比合金的成分[17]
图8  高Ti含量Ni-Co基合金中的h相形貌和h相形成的等温转变曲线[11]
图9  Ti含量>10%合金中片状相分析[21,22]
图10  γ’相与h相密排面上的原子排列对比[23]
图11  新型Ni-Co基高温合金位错分解的高分辨像[24]和层错能随Co含量的变化曲线[25]
图12  系列TMW合金毛坯盘制备流程[26]
图13  U720Li合金晶粒尺寸与性能的关系[27]
图14  TMW-4M3合金固溶温度和晶粒及初生γ’相尺寸的关系[28,29]
图15  TMW-4M3和对比合金屈服和抗拉强度随温度的变化[7,8]
Alloy γ matrix Primary γ’ Secondary γ’ Tertiary γ’ Annealing twin density %
Mean size mm Size mm Volume fraction % Size mm Volume Fraction % Size nm Volume fraction % Size nm
4M3-1 8.7 2.5~16.3 16.9 0.4~2.5 30.0 60 ~2.1 ~10 8.3
4M3-2 10.6 3.2~30.1 14.5 0.6~2.5 31.5 70 ~3.0 ~10 8.5
U720Li 10.2 2.8~25.3 13.1 0.5~2.5 29.4 90 ~2.5 ~10 3.6
表3  固溶温度对合金晶粒尺寸和γ’相特征的影响[30]
  
图17  反相畴界(APB)切割和层错切割的示意图[32]
图18  TMW合金的临界应变量随温度和应变速率的变化曲线及堆垛层错形态[33,34]
图19  TMW合金的层错密度和层错能随变形温度的变化[37]
图20  TMW和对比合金0.2%蠕变应变时时间和应力的Larson-Miller关系[9,38]
图21  U720Li和TMW-4M3在725 ℃, 630 MPa条件下蠕变变形后的微观组织[38~40]
图22  不同蠕变条件下Ni-Co基变形高温合金的变形机制示意图[43]
图23  U720Li和TMW合金的低周疲劳行为[8,9,45]
图24  TMW-4M3合金在650 ℃疲劳时的变形微观组织[45]
图25  U720Li和TMW合金的疲劳裂纹扩展行为[8,9,46,47]
图26  TMW-4M3合金经不同热处理后的EBSD和TEM像[49]
图27  TMW-4M3合金中热处理温度对不同强化方式的影响[49]
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