等轴晶铸造高温合金主要应用于航空发动机和燃气轮机热端部件,用来制备600℃以上服役的涡轮叶片、导向叶片、整体涡轮叶盘、整体导向器、喷嘴、机匣、扩压器等部件。此外,等轴晶铸造高温合金在航天、电力、石油化工等领域也有广泛应用,用于制作高温高压条件下服役的涡轮泵、氢氧泵壳体、氢氧泵叶轮、诱导轮、喷管、压力容器、涡轮增压器等部件。
等轴晶铸造高温合金
液体金属在凝固结晶时,晶粒在空间各个方向自由生长所形成的各方向上尺寸相差较小、无方向性排列晶粒特征的铸造高温合金。
- 英文名称
- equiaxed grain cast superalloy
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
等轴晶铸造高温合金问世于20世纪40年代。最早由英国人发明,形成了以Nimocast 80为代表的Nimocast系列等轴晶铸造高温合金。随后,美国人开发了Inconel、Mar-M与Rene等系列等轴晶铸造高温合金;苏联开发了ЖС和ВЖ等系列等轴晶铸造高温合金。中国在等轴晶铸造高温合金发展中,经历了由仿制到自主研发的历程,开发了以字母“K”为合金牌号开头的一系列等轴晶铸造高温合金。除上述4个国家外,法国、德国、日本等也开发了一些等轴晶铸造高温合金,但未成体系。
按合金基体元素种类不同,等轴晶铸造高温合金可分为铁基(铁镍基)、镍基、钴基和铬基等轴晶铸造高温合金;按应用范围分类,可分为涡轮叶片用、导向叶片用和复杂结构件用等轴晶铸造高温合金;按焊接工艺性分类,可分为可焊接型和非可焊接型等轴晶铸造高温合金。
为满足航空发动机热端部件不断提高承温能力的需求,等轴晶铸造高温合金在发展过程中添加了越来越多的铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钨(W)、钼(Mo)等强化元素以及适量的碳(C)、硼(B)、锆(Zr)和铪(Hf)等晶界强化元素。等轴晶铸造高温合金的C、B和Cr等元素含量一般比定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金高,而Re、Ru等稀贵金属的添加量较少。
等轴晶铸造高温合金的典型组织特点是凝固过程中无定向散热和结晶,因而铸件的晶粒三维方向尺寸相差不大。对于厚大的零件,其晶粒组织由外向内通常为表层激冷晶区、柱状晶过渡区和心部粗大等轴晶区。为了获得优异综合性能的等轴晶高温合金铸件,一般采用细晶铸造工艺,使铸件晶粒细小、均匀。与定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金相比,等轴晶铸造高温合金的强化元素含量较少,因此其γ′强化相体积分数较低、立方程度较差。
等轴晶铸造高温合金材料自20世纪40年代诞生以来,发展了一系列合金,满足了多种航空发动机高温部件对材料的需求。随着先进航空发动机工作温度的不断提高,等轴晶铸造高温合金服役温度接近材料承温极限,其新合金材料的开发已逐渐减少。主干材料一材多用、传统材料挖潜、多型号技术标准共用、低成本制造和返回料利用以及热控凝固、细晶铸造、定向/细晶双性能盘、薄壁空心整体复杂构件等将成为等轴晶铸造高温合金研究和发展的重要方向。