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

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[J]. Acta Metall Sin, 2015, 51(10): 1191-1206.

摘要 图/表 参考文献 相关文章 Metrics 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 words： cast & 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 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 44.8K 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] [1] Guo J T. Materials Science and Engineering for Superalloy. Vol.3, Beijing: Science Press, 2010: 650 (郭建亭. 高温合金材料学(下册). 北京: 科学出版社, 2010: 650) [2] Jiang H F. Gas Turbine Experiment Res, 2002; 15(4): 1 (江和甫. 燃气涡轮试验与研究, 2002; 15(4): 1) [3] Reed R C. The Superalloys Fundaments and Application. Cambridge: Cambridge University Press, 2006: 259 [4] Gu Y F, Cui C Y, Harada H, Fukuda T, Ping D H, Mitsuhashi A, Kato K, Kobayashi T, Fujioka J. In: Reed R C, Green A K, Caron P, Gabb T P, Fahrmann M G, Huron E S, Woodard S A eds., Superalloy 2008, Pittsburgh: TMS, 2008: 53 [5] Cao W D. In: Green K A, Pollock T M, Harada H Howson T E, Reed R C, Schirra J J, Walston S eds., Superalloys 2004, Pittsburgh: TMS, 2004: 91 [6] Reed R C, Jackson M, Na Y S. Metall Mater Trans, 1999; 30A: 521 [7] Gabb T P, Telesman J, Kantzos P T, O'Connor K. Characterization of the Temperature Capabilities of Advanced Disk Alloy ME3. Washington: National Aeronautics and Space Administration,NASA/TM-2002-211796, 2002 [8] Gu Y F, Fukuda T, Cui C Y, Harada H, Mitsuhashi A, Yokokawa T, Fujioka J, Koizumi Y, Kobayashi T. Metall Mater Trans, 2009; 40A: 3047 [9] Yokokawa T, Gu Y F, Cui C Y, Koizumi Y, Fujioka J, Harada H, Fukuda T, Mitsuhashi A. JIM, 2010; 74: 221 [10] Gu Y F, Harada H, Cui C Y, Ping D H, Sato A, Fujioka J. Scr Mater, 2006; 55: 815 [11] Cui C Y, Gu Y F, Harada H, Sato A. Metall Mater Trans, 2005; 36A: 2921 [12] Guard R, Westbrook J. Trans Am Inst Mining Metall Eng, 1959; 215: 807 [13] Takasugi T, Takazawa M, Izumi O. J Mater Sci, 1990; 25: 4239 [14] Suzuki T, Oya Y, Ochiai S. Metall Trans, 1984; 15: 173 [15] Aoki K, Wang X M, Memezawa A, Masumoto T. Mater Sci Eng, 1994; A179: 390 [16] Cui C Y, Gu Y F, Ping D H, Harada H. Intermetallics, 2008; 16: 910 [17] Guo J T. Materials Science and Engineering for Superalloy. Vol.2, Beijing: Science Press, 2010: 663 (郭建亭. 高温合金材料学(中册). 北京: 科学出版社, 2010: 663) [18] Cui C Y, Gu Y F, Harada H, Ping D H, Sato A. Metall Mater Trans, 2006; 37A: 3183 [19] Cui C Y, Gu Y F, Ping D H, Harada H, Fukuda T. Mater Sci Eng, 2008; A485: 651 [20] Cui C Y, Gu Y F, Ping D H, Harada H. Metall Mater Trans, 2009; 40A: 282 [21] Ping D H, Cui C Y, Gu Y F, Harada H. Ultramicroscopy, 2007; 107: 791 [22] Cui C Y, Gu Y F, Ping D H, Fukuda T, Harada H. Mater Trans, 2008; 49: 424 [23] Xu L, Cui C Y, Sun X F. Mater Sci Eng, 2011; A528: 7851 [24] Yuan Y, Gu Y F, Cui C Y, Osada T, Zhong Z H, Tetsui T, Yokokawa T, Harada H. J Mater Res, 2011; 26: 2833 [25] Yuan Y, Gu Y F, Cui C Y, Osada T, Yokokawa T, Harada H. Adv Eng Mater, 2011; 13: 296 [26] Fukuda T, Mitsuhashi A, Kato K, Gu Y F, Harada H. J Gas Turbine Soc Jpn, 2007; 35(3): 132 [27] Williams J C, Starke E A. Acta Mater, 2003; 51: 5775 [28] Osada T, Gu Y F, Yokokawa T, Harada H. JIM, 2010; 74: 279 [29] Osada T, Gu Y F, Yuan Y, Yokokawa T, Harada H. JIM, 2010; 74: 688 [30] Zhong Z H, Gu Y F, Yuan Y, Osada T, Cui C Y, Yokokawa T, Tetsui T, Harada H. Metall Mater Trans, 2012; 43A: 1017 [31] Yuan Y, Gu Y F, Zhong Z H, Osada T, Yokokawa T, Harada H. In: Huron E S, Reed R C, Hardy M C, Mills M J, Montero R E, Telesman J eds., Superalloy 2012, Pittsburgh: TMS, 2012: 35 [32] Yuan Y, Gu Y F, Zhong Z H, Osada T, Yokokawa T, Harada H. Scr Mater, 2012; 67: 137 [33] Cui C Y, Gu Y F, Yuan Y, Harada H. Scr Mater, 2011; 64: 502 [34] Cui C Y, Jin T, Sun X F. J Mater Sci, 2011; 46: 5546 [35] Tian C G, Cui C Y, Xu L, Gu Y F, Sun X F. J Mater Sci Technol, 2013; 29: 873 [36] Cai Y L, Tian C G, Fu S H, Han G M, Cui C Y, Zhang Q C. Mater Sci Eng, 2015; A638: 314 [37] Xu Y J, Qi D Q, Du K, Cui C Y, Ye H Q. Scr Mater, 2014; 87: 37 [38] Gu Y F, Cui C Y, Ping D H, Harada H, Fukuda T, Fujioka J. Mater Sci Eng, 2009; A510-511: 250 [39] Yuan Y, Gu Y F, Cui C Y, Osada T, Tetsui T, Yokokawa T, Harada H. Mater Sci Eng, 2011; A528: 5106 [40] Yuan Y, Gu Y F, Zhong Z H, Osada T, Cui C Y, Tetsui T, Yokokawa T, Harada H. J Microscopy, 2012; 248: 34 [41] Tian C G, Han G M, Cui C Y, Sun X F. Mater Des, 2014; 64: 316 [42] Tian C G, Cui C Y, Sun X F. Metall Mater Trans, 2015; 46A: 4601 [43] Xu L, Chu Z K, Cui C Y, Gu Y F, Sun X F. Acta Metall Sin, 2013;49: 863 (徐 玲, 储昭贶, 崔传勇, 谷月峰, 孙晓峰. 金属学报, 2013; 49: 863) [44] Zhang Z J, Zhang P, Li L L, Zhang Z F. Acta Mater, 2012; 60: 3113 [45] Zhong Z H, Gu Y F, Yuan Y, Yokokawa T, Harada H. Mater Sci Eng, 2012; A552: 434 [46] Zhong Z H, Gu Y F, Yuan Y, Cui C Y, Yokokawa T, Harada H. Mater Sci Eng, 2012; A552: 464 [47] Zhong Z H, Gu Y F, Yuan Y, Cui C Y, Yokokawa T, Harada H. J Mater Sci, 2011; 46: 7573 [48] Osada T, Nagashima N, Gu Y F, Yuan Y, Yokokawa T, Harada H. Scr Mater, 2011; 64: 892 [49] Osada T, Gu Y F, Nagashima N, Yuan Y, Yokokawa T, Harada H. Acta Mater, 2013; 61: 1820 [1] 冯强, 路松, 李文道, 张晓瑞, 李龙飞, 邹敏, 庄晓黎. γ' 相强化钴基高温合金成分设计与蠕变机理研究进展[J]. 金属学报, 2023, 59(9): 1125-1143. [2] 张健, 王莉, 谢光, 王栋, 申健, 卢玉章, 黄亚奇, 李亚微. 镍基单晶高温合金的研发进展[J]. 金属学报, 2023, 59(9): 1109-1124. [3] 刘俊鹏, 陈浩, 张弛, 杨志刚, 张勇, 戴兰宏. 高熵合金的低温塑性变形机制及强韧化研究进展[J]. 金属学报, 2023, 59(6): 727-743. [4] 曹富荣, 丁鑫, 项超, 尚会会. Mg-4.4Li-2.5Zn-0.46Al-0.74Y合金高温变形流动应力、组织演变与本构分析[J]. 金属学报, 2021, 57(7): 860-870. [5] 张健,王莉,王栋,谢光,卢玉章,申健,楼琅洪. 镍基单晶高温合金的研发进展[J]. 金属学报, 2019, 55(9): 1077-1094. [6] 石章智, 张敏, 黄雪飞, 刘雪峰, 张文征. 可时效强化Mg-Sn基合金的研究进展[J]. 金属学报, 2019, 55(10): 1231-1242. [7] 刘贤翠, 潘冶, 唐智骄, 何为桥, 陆韬. Al-Mn系合金的组织控制与高温性能研究[J]. 金属学报, 2017, 53(11): 1487-1494. [8] 于振涛, 余森, 程军, 麻西群. 新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J]. 金属学报, 2017, 53(10): 1238-1264. [9] 单智伟, 刘博宇. Mg的{101̅2}形变孪晶机制*[J]. 金属学报, 2016, 52(10): 1267-1278. [10] 张新明, 邓运来, 张勇. 高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术[J]. 金属学报, 2015, 51(3): 257-271. [11] 曹富荣 丁桦 王昭东 李英龙 管仁国 崔建忠. 超轻β固溶体Mg-11Li-3Zn合金的准超塑性与变形机理[J]. 金属学报, 2012, 48(2): 250-256. [12] 石章智 张文征. 用相变晶体学指导Mg-Sn-Mn合金优化设计[J]. 金属学报, 2011, 47(1): 41-46. [13] 卢磊 卢柯. 纳米孪晶金属材料[J]. 金属学报, 2010, 46(11): 1422-1427. [14] 刘志义; 刘冰 . 脉冲电流对2091Al-Li合金超塑变形机理的影响[J]. 金属学报, 2000, 36(9): 944-951 . [15] 褚武扬;王燕斌;关永生;阎应龙. 抗H_2S石油套管钢的设计[J]. 金属学报, 1998, 34(10): 1073-1076. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed