单晶高温合金涡轮叶片
单晶高温合金涡轮叶片是飞机涡轮发动机叶片的首选材料之一。
单晶高温合金具有许多优点，例如优良的高温强度、抗氧化性能和抗蠕变性能等。在高温环境下，单晶高温合金能够保持较高的强度和稳定性，因此被广泛应用于制造航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片。
在制造单晶高温合金涡轮叶片的过程中，通常采用定向凝固技术。定向凝固技术是指在高温合金熔炼过程中，将合金液体倒入模具中，然后通过特定的热处理工艺，使合金液体沿着一定的方向凝固，从而得到具有单一晶体结构的涡轮叶片。
除了制造工艺外，单晶高温合金涡轮叶片的质量和性能还受到许多因素的影响，例如原材料的选择、熔炼和热处理工艺的优化、表面涂层的选用等。为了提高涡轮叶片的性能和质量，需要综合考虑这些因素并进行优化。
总之，单晶高温合金涡轮叶片是现代航空发动机和燃气轮机制造中不可或缺的关键材料之一，对于提高发动机的性能和可靠性具有重要作用。
绪论 航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而 无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。 由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。 1.定向凝固 1.1定向凝固原理 进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进; (2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。 1.1.1定向凝固过程 定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性 能的材料。这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。本文旨在对高温 合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。 一、高温合金材料的分类 高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基 高温合金。其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。 镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应 用于各种高温领域。 二、高温合金材料的发展现状 高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。20世纪50年代中期，美国医生·布拉 斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。 三、高温合金材料的未来趋势 1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用 单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。 2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点 复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。 3. 新型高温合金材料将不断发展 新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。这些新型材料将
镍基单晶高温合金 镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。 我们来了解一下什么是单晶材料。与普通多晶材料不同，单晶材料是由统一的晶格结构组成，晶体中没有晶界和晶界的错位。这种特殊的结构使得单晶材料具有更好的力学性能和高温特性。 镍基单晶高温合金是以镍为基础元素，加入适量的铬、钼、铝等合金元素，并通过精细的熔炼和铸造工艺制备而成。这种合金具有优异的高温力学性能和抗氧化性能，能够在高温、高压和复杂的工作环境下保持稳定的性能。 镍基单晶高温合金的优点主要包括以下几个方面： 1. 高温强度：镍基单晶高温合金具有出色的高温强度，能够在高温下承受较大的载荷。这使得它成为航空发动机中关键部件的理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等。 2. 抗氧化性能：镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能，能够在高温下形成致密的氧化层，起到防止高温氧化和腐蚀的作用。这使得它在高温气体中的应用具有显著的优势。 3. 耐蠕变性：镍基单晶高温合金具有优异的耐蠕变性能，能够在高
温下长时间保持稳定的尺寸和形状。这种特性使得它在高温结构中的应用非常广泛，如燃气轮机、石化设备等。 4. 热疲劳性能：镍基单晶高温合金具有较好的热疲劳性能，能够在高温循环加载下保持较高的强度和韧性。这使得它在高温工况下的可靠性得到了保证，延长了材料的使用寿命。 除了以上的优点，镍基单晶高温合金还具有较好的可焊性、可加工性和可修复性，使得其在制造和维修过程中更加方便和经济。 然而，镍基单晶高温合金也存在一些挑战和问题。首先，制备镍基单晶高温合金的工艺较为复杂，需要严格的熔炼和铸造条件，以保证单晶结构的形成。其次，镍基单晶高温合金的成本较高，制造和加工难度较大，限制了其在一些领域的广泛应用。 为了克服这些问题，研究人员正在不断努力改进镍基单晶高温合金的制备工艺和性能。通过优化合金配方、改进熔炼和铸造工艺，以及引入新的合金元素和复合材料技术，可以进一步提高镍基单晶高温合金的性能和降低制造成本。 镍基单晶高温合金作为一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性能和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。随着制备技术的不断进步和材料性能的不断优化，镍基单晶高温合金将在未来发展中发挥更加重要的作用。
单晶高温合金概述 单晶高温合金是含有Ni、Cr、Co、W、Al等多种合金元素并采用定向凝固和选晶/籽晶技术制造的按照预定方向生长具有单一柱状晶组织的铸造高温合金，合金的综合性能优异。 单晶高温合金在航空发动机上仅用于制造单晶叶片，其中的单晶涡轮转子叶片是航空发动机热端关键部件，工作在高温度、高压力、燃气腐蚀等极为苛刻的条件下，技术难度很高，被视为航空发动机“皇冠上的明珠”一台先进航空发动机约需要100～200片单晶叶片，单晶合金叶片总重不超过50公斤 20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后，GE、P&W 以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六
代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。 我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33、中国科学院金属研究所研制的DD90；第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22；第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
高温合金 高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和铬基。按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。一般用于航空发动机耐高温材料的制造，特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。是重要战略物资，各航空大国都在极其保密的条件下研制。随着科技事业的发展，高温合金逐渐形成六个较为完整的部分。 一、变形高温合金 变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。 1、固溶强化型合金 使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa 应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。 2、时效强化型合金 使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253～700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。 例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。 二、铸造高温合金 铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是： 1. 具有更宽的成分范围 由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金，可通过调整成分使γ’含量达60%或更高，从而在高达合金熔点85%的温度下，合金仍能保持优良性能。 2. 具有更广阔的应用领域 由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。 根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类： 第一类：在-253～650℃使用的等轴晶铸造高温合金 这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650℃拉伸强度为1000MPa、
镍基单晶高温合金研究进展 孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒 （中国科学院金属研究所，沈阳 110016） 摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。 关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性 Research Progress of Nickel-base Single Crystal Superalloys Sun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China) Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys. Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties —————————————————— 基金项目：国家973计划项目（2010CB631206） 通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师
单晶叶片工艺流程 单晶叶片是一种在航空发动机等高温工况下工作的关键部件。在过去 的几十年中，通过不断改进和优化，单晶叶片的工艺流程得到了极大 的提升。本文将深入探讨单晶叶片工艺流程的各个方面，并分享我对 这一主题的观点和理解。 为了更好地理解单晶叶片的工艺流程，让我们从基础开始逐步深入。 在了解工艺流程之前，我们首先需要知道单晶叶片的定义和特点。单 晶叶片是由一整块金属材料制成，没有晶界和晶粒边界，并具有高温 下的优异性能。能够抵御高温、高应力等极端工况是单晶叶片的重要 特点。 1. 成型 单晶叶片的制作过程通常以金属合金的熔化为起点。选择合适的金属 合金材料，如镍基合金或钴基合金，这些合金具有较高的耐高温性能。在高温下将金属合金加热至液态，形成熔化的金属池。 接下来，通过特殊的成型工艺，将熔化的金属池迅速冷却并凝固。这 一工艺被称为定向凝固，其核心是通过控制温度梯度和凝固速率，使 金属从液态逐渐凝固为单一的晶体结构。这样就得到了没有晶界的单 晶叶片。
2. 热处理 在成型之后，单晶叶片需要进行热处理，以提高其力学性能和耐高温性能。热处理过程包括固溶处理和时效处理两个步骤。 固溶处理是将单晶叶片加热至合金固溶温度，使合金中的元素均匀溶解，然后迅速冷却，以保持原子结构的均匀性。这一过程可以消除材料中的晶界和位错，提高材料的塑性和韧性。 时效处理是在固溶处理之后，将单晶叶片再次加热至较低的温度，让合金中的元素重新分布，形成一定的强化相。这能够提高单晶叶片的强度和耐高温性能。 3. 加工 完成热处理后，单晶叶片需要进行一系列的机械加工和精密加工。这些加工包括铸造铲型、冷冲和精密磨削等工序。 通过铸造铲型过程，将单晶叶片的外形和内部通道等特征形成。这可以通过将熔融金属注入预先设计好的铸型中来实现。这一过程需要高度的技术和精密的工艺控制，以确保最终形成的叶片符合设计要求。 冷冲和精密磨削是为了进一步修整和精细加工单晶叶片的外形。通过压力和磨削等加工方式，将叶片表面的毛刺、氧化层等去除，使叶片
镍基单晶高温合金研究进展 独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、 高速等极端环境下保持优异的力学性能。如今，这一领域已经取得了显著 的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。 受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响， 研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。随着应用需求和制造技术的 进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键 元素/组织的影响。 在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。而在微 观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计 以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。尤其是近 年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同 的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性 进展。 另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。其中辐射区熔技 术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布 得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。 此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深
入研究，提出了多个有效的结构优化方案。如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。 综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。这就需要我们在研究和开发中不断寻找新的思路和突破口，以推动镍基单晶高温合金的研究向深度和广度不断发展。
DD6镍基单晶涡轮转子叶片失效分析 胡霖;佟文伟;高志坤;韩振宇 【摘要】为了排除某航空发动机DD6镍基单晶高温合金涡轮转子叶片在室温振动试验中发生的裂纹故障,对故障叶片进行了外观检查、断口分析、表面检查、解剖检查、化学成分分析、金相检查、应力分布计算及热模拟试验,确定了故障叶片裂纹的性质和产生原因.结果表明:涡轮转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹,叶片局部区域存在异常的γ'筏排组织是导致该叶片产生早期疲劳开裂的主要原因,且附近区域腐蚀过重及结构上处于应力集中区,也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展.针对这些故障,建议优化叶片结构并对腐蚀检查进行严格监控,防止出现γ’筏排组织及腐蚀过重现象,从而避免此类故障再次发生. 【期刊名称】《航空发动机》 【年(卷),期】2016(042)004 【总页数】6页(P81-86) 【关键词】DD6镍基单晶;涡轮转子叶片;γ’筏排组织;故障分析;航空发动机 【作者】胡霖;佟文伟;高志坤;韩振宇 【作者单位】中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015 【正文语种】中文 【中图分类】V232.4
涡轮前燃气温度的高低是衡量航空发动机性能好坏的重要指标之一。燃气温度从1200℃升高到1350℃，发动机单位推力可提高15%，耗油率降低8%，而温度的升高必然导致涡轮转子叶片寿命的降低［1］。而材料的温度降低15 K，寿命将延长1倍；反之，温度升高，寿命会大幅度缩短［2］。为提高叶片承温能力，采用空心气膜冷却技术［3］、热障涂层技术［4-5］或单晶高温合金材料［6］已成为有效的解决方案。 DD6镍基单晶高温合金是国内成功研制的低成本第2代单晶合金［7］。与传统 的等轴晶合金、定向合金和已成功应用的第2代CMSX-4单晶合金相比，具有更 好的高温综合性能［8-9］，已成为国内某型先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料。早期有学者对高温条件下单晶合金DD6和CMSX-4的蠕变性能进行了对比试验研究，结果表明，在980℃试验条件下，［001］取向的2种材料变形0.5% 所需时间分别为77.1 h和16.0 h；在850℃试验条件下则需18.2 h和0.31 h ［10］，可见单晶合金DD6明显较优异。 新材料的涡轮转子叶片在装机使用前需进行多项模拟考核试验［11］，目的是找 到新材料叶片结构中的设计缺陷或叶片生产工艺中的不足。本文针对在振动试验过程中DD6镍基单晶涡轮转子叶片出现异常裂纹的现象，对故障叶片裂纹进行失效分析，找出失效原因，分析失效机理，并提出相应的改进建议，为今后DD6镍基单晶涡轮转子叶片的高可靠性应用提供重要的技术支撑。 叶片材料为DD6镍基单晶高温合金的化学成分见表1。该叶片主要制造工艺为定 向凝固→脱壳脱芯→铸态检查→真空热处理→检测与检验。叶片精铸件经X射线 检查仪测试结晶取向，［001］结晶取向与叶片精铸件主应力轴的偏离应不大于相关标准规定角度。 2.1 外观检查 DD6合金叶片振动疲劳试验在特定振动应力条件下进行。当循环至2.51×106时，
新型镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用前景 新型镍基单晶高温合金是近年来航空发动机材料领域的一项重要技术创新，具有很高的应用前景。目前，航空发动机对材料的要求越来越高，长期以来使用的铸造镍基合金在高温、高压和高速等极端环境下表现出诸多局限性，限制了发动机的发展空间。而镍基单晶高温合金作为新一代航空发动机材料，具有很高的热稳定性、抗蠕变能力和粉末粘结强度，能够满足航空发动机对高温和高加载性能的要求，具有广阔的应用前景。 首先，镍基单晶高温合金具有优越的高温性能。在航空发动机工作温度高达1000℃以上的极端条件下，普通铸造镍基合金 易发生晶粒细化与增大的现象，从而导致材料的疲劳性能下降。而镍基单晶高温合金通过单晶制备工艺，能够避免晶粒的形变与细化，提高材料的高温强度和抗疲劳性能。 其次，镍基单晶高温合金具有较好的抗蠕变能力。在航空发动机工作温度条件下，材料会因长时间的高温作用而发生蠕变现象，从而导致材料变形和失效。相比之下，镍基单晶高温合金具有较低的蠕变速率和较高的持久强度，能够延长材料的使用寿命，提高发动机的可靠性和安全性。 此外，镍基单晶高温合金具有良好的粉末粘结强度。在航空发动机中，材料的抗氧化性能是至关重要的。普通镍基合金在高温下容易与空气中的氧发生反应，导致表面氧化层的生成，降低发动机的工作效率。而镍基单晶高温合金通过合金元素的优化配比，能够形成致密、稳定且具有良好附着力的氧化层，提高材料的抗氧化性能。
综上所述，新型镍基单晶高温合金在航空发动机中具有广泛的应用前景。它们能够满足航空发动机对于高温、高压和高速等严苛条件下的材料性能要求，能够提高发动机的工作效率和可靠性，实现更高的推力输出和更长的使用寿命。然而，虽然镍基单晶高温合金具有很高的应用潜力，但目前仍面临一些挑战和困难。例如，合金的制备工艺和生产成本较高，合金的热膨胀系数与基体的匹配问题等。因此，进一步的研究和发展势在必行，以进一步提高镍基单晶高温合金的性能，并实现其在航空发动机中的更广泛应用。随着航空业的快速发展和飞机性能的不断提高，对航空发动机的要求也越来越高。镍基单晶高温合金作为新型的发动机材料，具有很广阔的应用前景。首先，镍基单晶高温合金具有极高的高温强度和抗疲劳性能。航空发动机在高温、高压和高速条件下工作，普通的材料很难保持较高的强度，并容易发生疲劳和断裂。而镍基单晶高温合金以其独特的晶体结构，具有更好的高温强度和抗疲劳性能，能够在极端恶劣的条件下保持结构的完整性，提高发动机的性能和可靠性。 其次，镍基单晶高温合金具有出色的抗蠕变能力。航空发动机在运行过程中，长时间的高温作用下会导致材料发生蠕变现象，使材料的形状发生变化，从而影响发动机的工作效率和寿命。镍基单晶高温合金的晶体结构能够有效地抵抗蠕变，减少材料的变形，从而延长发动机的使用寿命。 此外，镍基单晶高温合金还具有良好的耐腐蚀性能。航空发动机在使用过程中，会接触到很多腐蚀性的介质，如高温气流、
热加工工艺轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 热加工工艺是一种广泛应用于材料加工领域的工艺方法。它通过对材料进行加热和塑性变形，以改变材料的形状和性能。在镍基高温合金单晶叶片的制造过程中，热加工工艺起着至关重要的作用。 本文旨在探讨轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布研究中的应用。轮廓法测量是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量材料表面的轮廓变化，可以获得材料内部的残余应力分布情况。 文章的正文将分为几个主要部分进行介绍。首先，我们将对热加工工艺进行定义和背景介绍，包括其作用和分类。其次，我们将详细探讨轮廓法测量的原理、步骤和优势，并阐述轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片中的应用。接着，我们将深入研究镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布的形成原因和影响因素，并介绍测量方法和研究进展。最后，我们将阐述实验方法和结果，并总结主要发现、研究意义、不足之处以及进一步的研究方向。
通过本文的研究，我们可以更好地理解热加工工艺在镍基高温合金单晶叶片制造中的作用，并且可以利用轮廓法测量技术来研究材料内部的残余应力分布情况。这将有助于优化叶片的设计和制造过程，提高材料的性能和可靠性。同时，本文也将为进一步的研究提供了一些重要的方向和思路。写文章1.1 概述部分的内容 1.2 文章结构 本文共包括四个部分，分别为引言、正文、实验方法和结果以及结论。 引言部分（Chapter 1）主要介绍了本文的背景和目的。首先，对热加工工艺在材料加工中的重要性进行了概述，并指出了热加工工艺在提高材料性能和改善材料结构方面的作用。接着，简要介绍了文章的结构和各个章节的内容安排，以便读者对整个文章有一个整体的了解。最后，总结了本文的主要内容和观点。 正文部分（Chapter 2）是本文的重点，包括热加工工艺、轮廓法测量、镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布等内容。在2.1节中，将介绍热加工工艺的定义和背景、热加工工艺的作用以及在镍基高温合金单晶叶片中的应用。2.2节将详细介绍轮廓法测量的原理、步骤和优势，以及其在镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布中的应用。2.3节将讨论镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布的形成原因、影响因素以及测量方法和研究进展。最后，2.4节将介绍实验方法和结果，包括实验设计、步
航空发动机涡轮叶片材料性能研究 一、引言 航空发动机涡轮叶片是影响飞机性能和安全的关键部件之一， 其材料性能的研究对于提高发动机的性能和可靠性具有重要意义。 二、航空发动机涡轮叶片的材料选择 航空发动机涡轮叶片要求材料具备高的强度和刚度、良好的疲 劳寿命和高温下的抗氧化性能。当前航空发动机涡轮叶片常用的 材料包括单晶高温合金、多晶高温合金和陶瓷复合材料等。 1. 单晶高温合金 单晶高温合金是一种在高温、高压、氧化和腐蚀等极端工况下 表现出优异性能的合金。其主要由镍、铝、铬、铍、钼、钽、钨、铁等元素组成，具有高的温度强度、高的耐热蠕变性能和良好的 抗腐蚀性能。但由于其生产成本较高，应用范围受到一定限制。 2. 多晶高温合金 多晶高温合金是由钴、镍、铬、铝、钨、钼等元素组成的一种 强度高、耐腐蚀性好、抗热蠕变性强的高温合金。其优点是生产 成本低，成功应用于一些商用飞机的涡轮叶片上。 3. 陶瓷复合材料
陶瓷复合材料是一种由陶瓷基体和增强材料组成的复合材料。其主要优点是具有极高的温度强度、优异的耐热性能和抗疲劳性能，同时还具有良好的抗氧化性能和低密度等特点。但其缺点是比较脆弱，易受振动和冲击损坏。 三、航空发动机涡轮叶片材料性能研究 为了使发动机涡轮叶片材料具有更好的性能，需要对其性能进行研究和测试。 1.强度与刚度测试 航空发动机涡轮叶片材料的强度和刚度是其最重要的机械性能指标之一。通常使用万能试验机等测试设备进行拉伸、压缩和弯曲等试验，以确定其弹性模量、屈服强度、断裂强度以及抗弯刚度等参数。 2. 疲劳寿命测试 航空发动机涡轮叶片在使用过程中，经常处于高温高压的工作状态，因此具有较强的疲劳特性。为评估其在高温高压环境下的疲劳寿命，需要进行疲劳寿命试验。 疲劳寿命试验通常采用恒振幅低周循环试验或高周循环试验进行，通过测量断裂寿命和S-N曲线等参数来评估其疲劳特性。 3.高温抗氧化性测试
航空发动机涡轮叶片材料研究 航空发动机的性能对于航空产业的发展起着至关重要的作用，而其中涡轮叶片 是飞机发动机中非常重要的组成部分。涡轮叶片的材料研究一直以来都是一个热门的研究领域，其材料的选择与性能直接关系到飞机的可靠性和安全性。因此，对于航空发动机涡轮叶片材料的研究一直以来都备受关注。 1. 涡轮叶片材料研究的历史沿革 早在20世纪初期，英国的战斗机大战时期，涡轮叶片的材料就成为了一个重 要的问题。当时的涡轮叶片材料是由铁、铬、钴合金制成，这种材料的性能稳定，但是其密度很大，对于飞机的轻量化有很大的制约，同时其强度也比较低，无法满足高速飞行和高温环境的要求。随着科技的不断进步，人们开始研究新的材料并探索新的工艺，逐渐从金属材料向复合材料、陶瓷材料和高温合金材料转变。 2. 现有涡轮叶片材料的特点与不足 目前，航空发动机涡轮叶片材料主要包括高温合金材料、陶瓷基复合材料和单 晶超合金材料等。高温合金材料的主要特点是具有很高的耐高温性能和抗氧化能力，符合飞行器大气层的高温、高压和高速环境的要求，但是其强度和硬度较低，带有一定的脆性，耐蚀性和耐疲劳性能也有待提高。陶瓷基复合材料的优点在于具有很高的强度和硬度、低密度、高温稳定性和抗腐蚀性等特点，但是其耐疲劳性和韧性还需要进一步加强。单晶超合金材料（SCM）是最典型的高性能涡轮叶片材料， 具有高强度、高温稳定性、良好的耐蠕变性能和良好的耐腐蚀性能。但是，其制造工艺较为复杂，生产成本较高，同时该材料的脆性也难以完全避免，使用寿命可能受到一定影响。 3. 涡轮叶片材料未来发展趋势 在涡轮叶片材料的研究中，材料的性质和制造工艺都是研究的重点。在未来的 研究中，涡轮叶片材料将更加注重材料的性能和成本，同时更加注重环保和可持续
热障涂层对DD6单晶高温合金高周疲劳性能的影响 田贺;何利民;牟仁德 【摘要】目的研究电子束物理气相沉积热障涂层对单晶高温合金高周疲劳性能的影响,为热障涂层在涡轮叶片上的应用提供技术支持.方法采用真空电弧镀和电子束物理气相沉积工艺制备YSZ热障涂层,进行900℃条件下高周疲劳性能测试,采用扫描电镜对测试后的试样表面、断口形貌进行观察与分析.结果在900℃、380 MPa 条件下,带涂层的DD6单晶试棒循环次数(Nf)超过了107,420 MPa条件下超过了106.通过对DD6单晶试棒断口分析,失效后的带涂层试棒仍以DD6单晶常见滑移解离形式发生破坏.结论高周疲劳性能测试条件下,带YSZ热障涂层的试棒中粘结层率先产生垂直微裂纹,但是裂纹扩展延伸中发生氧化钝化,之后DD6基体沿正常的滑移方向从表面向内部疲劳扩展,带涂层的试棒疲劳裂纹并非由涂层微裂纹直接扩展形成,热障涂层对DD6单晶高温合金高周疲劳性能影响较小. 【期刊名称】《装备环境工程》 【年(卷),期】2019(016)001 【总页数】6页(P41-46) 【关键词】DD6二代单晶高温合金;电子束物理气相沉积;热障涂层;高周疲劳性能;断裂模式 【作者】田贺;何利民;牟仁德 【作者单位】北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室,北京 100095;北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室,
北京 100095;北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室,北京 100095 【正文语种】中文 【中图分类】TG178 我国自主研发的二代单晶高温合金（合金牌号：DD6）已经广泛应用于军、民用 航空发动机领域，但仍存在承温能力不足等问题。热障涂层技术可以有效提高 DD6单晶高温合金的抗氧化性能及承温能力，在国外先进航空发动机研制过程中，已经作为提高涡轮前温度、延长涡轮叶片服役寿命的关键技术之一[5-8]。 涡轮叶片基体材料疲劳性能对航空发动机的安全可靠性影响是至关重要的。研究表明[9-13]，大量的涡轮叶片故障都是由于机械加工、打孔、涂层等工艺造成基体材料疲劳性能下降，导致叶片断裂，因此对单晶基体疲劳性能的影响是热障涂层技术应用必须优先解决的问题。 目前国内单晶热障涂层技术仅在部分型号上应用，大部分研究也仅限于进行疲劳试验，未对疲劳试样的失效模式进行分析。文中重点对高周疲劳试验后的试样形貌进行分析，明确热障涂层对二代单晶高温合金疲劳性能的影响，为热障涂层技术在二代单晶高温合金涡轮叶片应用提供科学依据。 1 试验 1.1 涂层制备 所用国产第二代单晶高温合金（牌号：DD6）的主要化学成分见表 1。力学性能试棒图号为M2504-N022，直径为φ10 mm，长度为65mm。试棒前处理流程为：水吹沙40 min→水清洗干净→酒精中洗净→烘干备用。 表1 DD6单晶高温合金和DZ125定向凝固高温合金主要元素含量对比Cr Ni
航空发动机涡轮叶片材料设计与制备研究 随着航空领域的迅猛发展，航空发动机作为飞机的“心脏”，其 质量和性能成为关键因素。其中，涡轮叶片作为航空发动机的重 要组成部分，对于推进飞机起飞和保证其高空巡航是至关重要的。因此，航空发动机涡轮叶片材料的设计和制备研究成为了当前学 术界和工程界的热点问题。 一、涡轮叶片材料的要求 涡轮叶片是航空发动机中承受高温、高压等极端环境的重要组 成部分。其材料的设计与制备应具备以下要求： 1、高温性能：叶片在发动机工作时会受到高温气流的冲击和 腐蚀，材料应具备较高的耐高温性能。 2、强韧性：叶片在发动机高速旋转时要承受较大的离心力和 惯性力，又需要适当的柔韧度来缓冲叶片的振动。 3、轻量化：航空发动机的重量是影响飞行性能的重要因素。 涡轮叶片的材料应该能够在保证强度的前提下尽可能降低重量。 4、耐腐蚀性能：在发动机工作过程中，涡轮叶片会受到热氧化、熔融盐和其他腐蚀物的攻击，因此需要具有较高的耐腐蚀性能。
基于以上要求，航空发动机涡轮叶片的材料设计和制备应该具有自我修复、自适应等高端技术。 二、涡轮叶片材料的开发 目前，航空发动机涡轮叶片材料的设计与制备主要采用了以下三种技术： 1、单晶生长技术 单晶生长技术是一种将金属材料从液态逐渐凝固成单晶体的制备技术。该技术主要用于制备高温合金和涡轮翼叶片材料。单晶叶片具有单一的晶粒结构，因此具有较好的耐高温性能和抗断裂性能。 2、超合金材料 超合金是一种具有较高温度下较好的力学性能和耐腐蚀性能的金属合金。其通常可以在较高温度下保持强度和硬度，但相对的它比较脆。 3、全陶瓷叶片 全陶瓷叶片是指完全由陶瓷材料制成的涡轮叶片。它具有尺寸稳定性好、热膨胀系数小等特点，且具有很好的耐热性，但由于其脆性较大，不太容易制造。 三、涡轮叶片材料制备工艺
抽拉速率对DD6单晶高温合金650℃低周疲劳性能的影响刘维维;唐定中;李嘉荣;刘世忠;熊继春 【摘要】The bars of single crystal superalloy DD6 were prepared with withdrawing rates of 2mm/min, 4.5mm/min, 7mm/min. The low cycle fatigue properties of alloy with different with drawing rates were studied comprehensively at 650℃. The fatigue fracture morphology and microstructure were investigated using SEM and TEM. The results show that with the increasing of withdrawing rate, the size of γ' precipitates decreases and quadratic dendrite arm spacing developed gradually. Primary dendrite arm spacing is little related to withdrawing rate. Alloy with the withdrawing rate of 4.5mm/min has the longest low cycle fatigue among the withdrawing rates. It was founded that DD6 alloy exhibited cycle stability at most strain amplitude. The fatigue crack favorably initiated at the sub-surface, and reduced along with the strain amount. The fatigue propagation characteristics of the first stage changed from cleavage-like fatigue facet into ragged fatigue facet. Fatigue crack extended along one or more {111} sliding surfaces.%采用 2mm/min,4.5mm/min和7mm/min的抽拉速率制备了DD6单晶高温合金试棒.研究了抽拉速率对合金650℃低周疲劳性能的影响.利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了疲劳试样的断口形貌和微观组织.研究结果表明:随抽拉速率的增大,γ’相尺寸减小,一次枝晶间距差异不大,二次枝晶呈发达的趋势.抽拉速率4.5 mm/min的合金650℃低周疲劳寿命最长.DD6合金表现为基本稳定的循环应力响
单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟 李世峰;何爱杰;邱飞 【摘要】针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律.研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4％;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依 据.%According to the bottle neck problem about low size precision and large wall thickness deviation of the single crystal turbine blade,considering the inaccuracy factors of boundary conditions during unidirectional solidification process,the contact element method was used to study the interaction between the blade and the shuttering. Meanwhile,the practice temperature field data,the finite ele-ment method with the coupled stress field and temperature field,were used to simulate the unidirectional solidification of the single crystal turbine blade. Based on the analysis result,the stress distributing and blade deformation were qualitatively discussed. The re-sult indicates that the max-residual stress presents at the root air-inlets,and the max-residual stress of root air-inlets is 28. 4％ higher than that of blade-body. The dynamic change of the temperature and the stress can basically been reflected by the coupled