镍基单晶高温合金的发展

SRR99
英8
5 — 10 3 — — 5. 5 2. 2
RR2000 英 10 15 3 — — — — 5. 5 4
AM 1
法 8 6 2 6 9 — — 5. 2 1. 2
AM 3
法 8 6 2 5 4 — — 6 2余
第
CM SX - 2 美 8
5
6
8
6 — — 5. 6 1
1 代
CM SX - 3 CM SX - 6
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胡壮麒等 :镍基单晶高温合金的发展
3
Cr的含量只有 3%左右 ; 在第 4 代单晶合金 MC NG中 , Cr的含量降到 4%。Cr是抗环境腐蚀元素 。 通常认为 , Cr在合金中的含量低于 5%时 ,合金的抗 氧化 、抗腐蚀性能将恶化到不能允许的程度 。但是 , 对只含 2. 6% 的 Cr的 CM SX - 10 合金的热腐蚀试 验证明〔9〕,其抗腐蚀性能与已广泛用作燃气轮机叶 片的 CM247LC合金 (含 8%的 C r)和 CM SX - 10合 金 (含 6. 5%的 Cr)的相当 ,还优于含 9%的 C r的 DS MAR - M002合金 。这是由于合金中 Ta、Re的含量 较高 ( Ta + Re≈ 15% ) 。C r的含量降低 ,就允许加入 更多其他的合金化元素 ,从而保持组织稳定 ,这无疑 对合金性能的提高极为有利 。 (4) 稀土元素和 Ru、Ir的应用 。在第 2, 3代单 晶合金中 ,有许多添加了 Y、La、Ce等稀土元素〔10〕。 Y的加入 ( > 200 ×10 - 6 )可以明显改善单晶合金的 抗氧化性能〔11〕,而且对热疲劳性能也有好处 。俄罗 斯的 ЖС36合金不含 Ta,只含 2%的 Re,但其持久 强度却达到第 2代单晶合金的水平 ,原因之一是加 入了稀土元素 。另外 ,值得注意的是 ,在发展第 2, 3 代单晶合金中 , 试用了 1 种非常特殊的元素 Ru; General Electric和 ONERA 公司最先对添加 Ru的合 金进行了合金化实验〔12〕。通过实验可知 ,与 Re相 比 , Ru最明显的优势是具有较低的密度和较低的 TCP相析出的倾向 ; 添加 Ru的单晶高温合金表现 出优异的高温蠕变性能 。 2. 2 相组成特征 镍基单晶高温合金是高度复杂化的合金 ,通常 含有 6～10个合金化元素 。在显微组织正常的镍基 高温合金中 ,主要是 γ′相和 γ相 ,还有几种相是在 合金的服役过程中析出的 。 2. 2. 1 γ基体 γ基体是通常含有较大数量固溶元素 (如 Co、 Cr、Mo和 W )的连续分布的面心立方结构的镍基奥 氏体相 。尽管 N i不具有高的弹性模量和低的扩散 率 ,但 γ相基体非常适用于在最苛刻的温度条件下 工作的燃气涡轮发动机 。有些合金能在 0. 9TM (熔 点 )温度下使用 ,且在较低温度下的使用时间可达 100000h,其基本原因在于 : N i的第 3电子层基本饱 和 ,在合金化时容量大 ,相的稳定性很高 ;当加入 Cr 后 ,形成富 C r2 O3 的具有低的阳离子空位的保护层 , 从而降低了金属元素向外扩散的速率以及 O、N、S 和其他腐蚀气体向内的扩散速率 ;在高温下形成富 A l2O3 保护层 ,具有良好的抗氧化性 。
SC - 16
美8 美 10 法 16
5
6
8
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ— 0. 1 5. 6 1
6 3 — 2 — 0. 1 4. 8 4. 7
— 2. 8 — 3. 5 — — 3. 5 3. 5
AF - 56 美 12 8 2 4 5 — — 3. 4 4. 2 量
C32
俄 5 9 1. 1 8. 5 4 — — 6 —
DD407:Cr 8 ,Co 5.5 ,Mo 2.25 ,W 5 ,Al 6 , Ti 2 , Ta3.5 ,余为 Ni。
CN K7
俄 15 8. 8 0. 4 6. 9 — — — 4. 1 3. 9
DD3
中 9. 5 5 3. 8 5. 2 — — — 5. 9 2. 1
DD8
中 16 8. 5 — 6 — — — 2. 1 3. 8
第 TM S - 138 日 2. 9 5. 9 3. 0 5. 9 5. 6 5. 0 0. 1 6. 0 — 余 2. 0Ru
4
代
MC - NG 法 4 < 0. 2 5
1
5
4 0. 1 6 0. 5 量 4. 0Ru
第 5 代
TM S - 162
日 2. 9 5. 8 4. 0 5. 8 5. 6 5. 0 0. 1 6. 0
2
5
7
3 0. 15 6. 2 — 余 0. 04B
第
0. 01Y
GE90
2
代
CM SX - 4 美 6. 5 9 0. 6 6 6. 5 3 0. 1 5. 6 1
F402 - RR - 408 8. 70 EJ200, RB211
CT - 80
SC180
美 5 10 2
5 8. 5 3 0. 1 5. 2 1 量
2005年第 31卷第 3期
表 1 典型单晶高温合金的成分及应用实例
合金
国 别 Cr Co Mo W
成 分 Ta Re Hf A l
Ti N i
其它
密度
发动机
( g/ cm3 ) 应用实例
PWA1480 美 10 5 — 4 12 — — 5 1. 5
ReneN4 美 9 8 2 6 4 — — 3. 7 4. 2
0. 07C 0. 003～
0. 01B
3 代
1. 8 1. 5 0. 25 3. 5 7 CM SX - 10 美 — — — — —
5 0. 1 5 0. 1 — — — — 量 0. 02C 9. 05
4 9 2 7. 5 10 7 0. 15 7 1. 2
TM S - 75 日 3. 0 12. 0 2. 0 6. 0 6. 0 5. 0 0. 1 6. 0 —
加 。以 CM SX系列单晶合金为例 ,难熔元素的质量 分数在第 1代为 14. 6% ,在第 2 代为 16. 4% ,而在 第 3代则高达 20. 7%。其中 , Re增加的幅度较大 , 为了平衡合金化 , Mo、W 等的含量减少 ,而 A l的含 量有了一定的增加 。 Ta的作用是增大 γ/γ′错配度 、 强化 γ′相和提高其高温稳定性 。 (3) Cr的含量降低 。在第 3代单晶合金中 , Cr 的含量降至 5%以下 ,尤其是在 CM SX - 10合金中 ,
MC2
法 8 5 2 8 6 — — 5 1. 5
C36
俄 4. 2 8. 7 1 12 — 2 — 6 1. 2
1Nb, Re
第
R eneN 6
4. 25 10 美— —
6 15
0. 5 5 7 5 0. 1 5 —————— 2 6. 5 9. 25 5. 6 0. 5 6. 2
0. 02～
—
余
8. 25 M88 - 2
8. 56
A rriel
8. 56 GMA2100
7. 98
8. 76 АЛ- 31Ф
8. 20 某涡轮发动机 8. 25 某舰载发动机
PWA1484 美 5 10 2
6
9
3 0. 1 5. 6 —
8. 95
PW 4000系列 V2500
0. 05C
Rene N5 英 7
8
(2. Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China) Abstract: The development of the N i - base single crystal superalloys is introduced, and its composition, phase p re2
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2
航空发动机
仅供试用。
2005年第 31卷第 3期
航空发动机
1
镍基单晶高温合金的发展
胡壮麒 1 刘丽荣 1, 2 金 涛 1 孙晓峰 1 (1. 中国科学院金属研究所 ,沈阳 110016; 2. 沈阳工业大学 ,沈阳 110023)
摘要 :概述了镍基单晶高温合金的发展历程 ,分析了其成分 、相组成 、热处理的特征和持久变形及强化机制 ,给 出了其持久性能数据 ,并指出了发展趋势 。 关键词 :镍基单晶高温合金 成分 性能
1 引言
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能 ,是目 前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材 料 。为了满足高性能航空发动机的设计需求 ,多年 来 ,各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发 。 20世纪 80 年代以来 ,单晶高温合金一直沿着 其独特的道路发展 。随着合金设计理论水平的提高 和生产工艺的改进 ,相继出现耐温能力比第 1 代单 晶合金分别大约高 30℃和 60℃的第 2 代单晶合金 和第 3代单晶合金 ;第 2 代单晶高温合金的代表有 PWA1484〔1〕、CM SX - 4〔2〕等 ,第 3 代单晶高温合金 的代 表 有 CM SX - 10〔3〕、CM SX - 11〔4〕、ReneN6〔5〕 等 。研究表明〔6〕,第 3 代单晶高温合金 CM SX - 10 的耐温能力比第 2代单晶合金 CM SX - 4 (最高使用 温度约为 1163℃)的大约高 30℃,其使用温度可达
cip itation, heat treatment, endurance p roperty and strengthening mechanism are analyzed. The data of its endurance p roperty is listed, and the development trend of N i - base single crystal superalloys is pointed out. Key words: N i - base single crystal superalloys; composition; p roperty
收稿日期 : 2005 - 07 - 18 第一作者简介 :胡壮麒 (1929—) ,中国工程院院士 ,从事高温合
金的开发与应用研究 ,详细介绍见封二 。
1204℃左右 ,同时 ,还具有十分明显的蠕变强度优 势 。近年来出现的第 4代单晶合金 RR3010的承温 能力达到 1180°C〔7〕,用在英国 RR 公司最新研制的 Trent发动机上 。Re的加入以及 Hf、Y、La, Ru等元 素的合理应用 ,使新的单晶合金的持久性能和抗环 境性能均有明显的提高 。 本文综述了有关镍基单晶高温合金的成分特 点 、相组成 、热处理制度 、合金性能 、应用情况和发展 方向 ,可为开发和研制该类合金提供参考 。
D evelopm en t of the N i - Ba se S ingle Crysta l Supera lloys
Hu Zhuangqi1 L iu L irong1, 2 J in Tao1 Sun Xiaofeng1 (1. Institute of M etal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)
—
余 量
6. 0Ru
( 1) C、B、Hf从“完全去除 ”转为“限量使用 ”。 这几种元素历来被看作是晶界强化元素 ,而且使合 金初熔温度降低 。由于单晶合金没有晶界 ,又要求 具有宽的热处理窗口 ,故在最初发展的商用单晶合 金 (如 PWA1480、CM SX - 2 等 )中是“完全去除 ”这 几种元素的 。但近年来发现 ,这些元素具有一些特 殊的作用 ,单晶合金不能缺少它们 。 (2) 难熔元素 ( Ta、Re、W、Mo) 的添加总量增
2 单晶高温合金的特征
2. 1 成分特征 到目前为止 ,单晶合金已发展了 5代 。 典型单晶高温合金的成分及应用见表 1。在进 行单晶合金成分设计时 ,要兼顾合金性能和工艺性 能 。由于单晶合金中不存在晶界 ,并应用在较为苛 刻的环境下 ,所以要注意某些元素的特殊作用 。 分析表 1列出的单晶合金的成分 ,可以看出 ,单 晶高温合金成分的发展有以下特点〔8〕。
1V
0. 15C 1. 6Nb 0. 015B 0. 08C 0. 01B 0. 02B
F100 - PW - 220 8. 70 PW 2037, J79D -
7R4, PW 1130
8. 56
F110 - 129 CFM56 - 5
8. 56 RB211, RB199
7. 87
RB199
8. 59