低成本的第二代单晶高温合金DD398
唐定中;李嘉荣;吴仲棠;刘世中;吴学仁
【期刊名称】《材料工程》
【年(卷),期】1999(000)003
【摘要】介绍了低成本的第二代单晶合金DD398,该合金综合性能优良,其100h 持久强度的承温能力比第一代单晶合金DD3提高30℃,而拉伸性能、持久性能、抗氧化和抗热腐蚀性能达到了国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平.DD398合金组织稳定,单晶工艺性能良好,且具有低成本的优势.
【总页数】3页(P8-10)
【作者】唐定中;李嘉荣;吴仲棠;刘世中;吴学仁
【作者单位】北京航空材料研究院;北京航空材料研究院;北京航空材料研究院;北京航空材料研究院;北京航空材料研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.热等静压对第二代DD6单晶高温合金高温高周疲劳性能的影响 [J], 骆宇时;郭会明;赵云松;张剑
2.C含量对第二代单晶高温合金组织的影响 [J], 刘世忠;史振学;李嘉荣
3.ppm级S对第二代抗热腐蚀镍基单晶高温合金恒温氧化行为的影响 [J], 张宗鹏;张思倩;王栋;王迪;陈立佳;楼琅洪;张健
4.一种第二代镍基单晶高温合金短时高应力蠕变研究 [J], 张镇;谷阿山;Natasha
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。
1.单晶合金的特点；做什么用？ 晶界强度在高温下下降很快,比基体低, 在定向凝固合金基础上发展出的完全消除晶界的单晶高温合金，能使合金热强性能有进一步的提高（约30℃）； 用处：生产涡轮叶片、导向叶片、叶片内外环、喷嘴扇形段、封严块、燃油喷嘴等。用于军用和商用飞机、坦克、舰船、工业燃气轮机、导弹、火箭、航天飞机等。 2.单晶合金的制备。 按照成分要求，在真空感应炉中熔炼出母合金锭，采用选晶法，以7mm/min 的凝固速度在高温度梯度真空定向凝固炉中分别制备出[001]取向和[110]取向的单晶合金试棒，[001]取向试棒的生长方向偏差在8?以内，[110] 取向试棒的生长方向偏差在4?以内。 3.单晶合金的热处理，目的是什么？ 固溶+时效, 目的形成’相.主要强化相 热处理是将工件在介质中加热到一定温度并保温一定时间，然后用一定速度冷却，以改变金属的组织结构，从而改变其性能（包括物理、化学和力学性能）的工艺。比如增加或者降低金属材料的硬度、强度、弹性、韧性、塑性等。(百度) 单晶合金发展几代。合金成分特点? 4. 承温能力分别提高约30℃的第一代、第二代、第三代单晶合金, 第四代单晶合金合金成分特点 第四代单晶合金承温能力比定向柱晶合金约高100℃(英国生产)。 5.无铼基单晶和有铼比性能差，为什么研究无铼单晶合金？（少无铼基 单晶？） 铼的加入能大幅度提高合金的高温性能，但却使合金的成本明显加大，因此，研制低铼或无铼高性能的单晶合金成了人们研究的重点之一。
6.单晶合金的主要组成相有哪些？ 其特点是高温固溶--时效处理后，在FCC结构的γ相基体中弥散析出L12型有序金属间化合物Ni3(Ti,Al) --γ'相。γ' 数的差异，正是由于点阵错配度的差异而导致强化。γ'相与γ基体保持共格关系，7.采用的腐蚀剂 100 ml HCl + 80 ml H2O + 20 g CuSO4 试样减薄腐蚀液为：7％高氯酸＋93%乙醇 8.三个取向合金蠕变性能差别? 根据资料介绍[110]取向性能最差, 9.单晶合金蠕变后组织发生什么变化？ 10.蠕变的三个阶段是什么？各阶段组织怎么变化？ 减速蠕变，稳态蠕变及加速蠕变； 11.不同取向合金资料上的和实际测量结果有什么差别，为什么？ （因为实验条件不同，高温低应力，低温高应力） 12.蠕变失效机制是什么？ 13 为什么单晶合金总是沿着，<001>方向形筏。 问题： P\N-型筏状组织？ 筏状γ'相？ γ'-----Ni3Al
高温合金材料技术发展展望 摘要 高温合金是航空结构材料中最重要的组成部分之一。代表着飞机及其动力装置用材的主流。 本文的特点是在总结概括技术发展轨迹的基础上，将讨论的重点集中于高温合金材料国外最新进展的介绍。在此基础上，选取了几个当前较有实用价值、 目前国内最为关心、技术难点也最为突出的领域展开了较为深入的讨论。如双 性能盘、单晶叶片等。 关键词：高温合金成本 1．引言 高温合金是航空结构材料中最重要的组成部分之一。代表着飞机及其动力装置用材的主流。是当前的难点及热点问题。本文将在总结、概括技术发展轨迹的同时，重点介绍这两类材料的最新进展。 2．高温合金技术 高温合金是航空动力装置的主要用材。几十年来，高温合金一直扮演着航空发动机热端部件用材的主角，对于整个航空动力发展的影响巨大。据国外称，航空发动机性能提高78%是由先进材料做出的贡献。 2．1国外现状及发展趋势 高温合金广泛用于压气机、涡轮、燃烧室及机匣等。镍基合金的熔点大约在1350℃，热强度要有更大的发展是不可能的，但与其代替材料相比，在高温强度、塑性及韧性和成本上仍有竞争力。通过合金开发、改进生产工艺以及热障涂层的采用，在一定时期内仍是航空发动机的主导材料。 在合金发展方面有两大趋势，一是继续改进高温强度，一是开发低成本合金。 在单晶合金方面，目前许多工作集中在高强合金发展上，但是由于高熔点合金元素含量的增高，制造工艺复杂，成本因而增高，因此目前正在致力于简化制造工艺。第3代单晶的应用开发工作主要集中在1000℃不加冷却的中压涡轮叶片上，要求合金有大的热处理窗，工艺不太复杂。相反对于高压涡轮，第3代单晶的应用研究工作较少，解决TBC带来的叶片合金强度及抗氧化性问题仍是重要的目标，这是因为3代单晶合金的TCP相问题以及与TBC 涂层之间会形成一反应区（SRZ）从而降低高温强度。而目前这方面的研究进展甚少。因此不仅要找到合金强化方法，而且要材质不因涂层而受到影响。 除单晶合金外，定向高温合金由于成本低也受到重视，第二代定向合金中（Re+Ta+W）含量达到14~15%，其性能可代替第一代单晶而成本却低得多。目前在日本开发了第3代定向合金，其特点是加入了第3代单晶的合金化元素来强化晶界，从而得到与二代单晶CMSX-4相同的强度，如TMD107的（Re+Ta+W）含量达到17%，同样也在研究加入第4代单晶的合金化元素来开发出第4代定向合金。 在变形合金方面将继续开发新合金，同时要努力降低性能分散度、增大设计许用应力，双真空熔炼正让位于真空感应+电渣+真空电弧熔炼的三联法。目前大直径锭仍难获得均匀组织，要求开发生产均匀组织的熔炼方法。 在粉末合金方面，夹杂仍是不可避免的，要求采用损伤容限设计，提高许用应力。 在焊接合金方面，要求在焊接性能与强度之间求得平衡，尽管IN718是传统的强度与焊接性能均好的合金，但只能用于650℃以下，原来为叶片开发的IN738合金具有最佳的强度、焊接性能及工作温度的综合性能，可用作飞机发动机大结构喷射成形铸造及焊接合金。
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。
高温合金材料设计与制备的基础探讨(ppt 26页)
项目名称：高温合金材料设计与制备的基础研究首席科学家：孙晓峰中国科学院金属研究所起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：中国科学院
（3）热加工过程中高温合金的组织演变及性能调控 高温合金塑性加工过程中的微观组织演变动力学及性能调控，高合金化难变形合金的热塑性变形机理；考虑第二相演变的组织预测模型；粗晶和混晶等典型组织缺陷的控制。原始粉末颗粒边界(PPB)的形成机理；粉末高温合金中夹杂物的演变规律；PPB和夹杂物导致粉末高温合金的失效模式。合金雾化过程中熔滴与雾化气体之间两相流流动的热量与动量传输规律；喷射成形沉积坯凝固组织及缺陷的形成和演变规律；电磁场作用下高温合金熔体流动和枝晶生长规律；电场对高温合金强化相溶解和析出的影响规律。 （4）高温合金的损伤机制及表面防护基础理论 高温合金长期组织稳定性以及长时服役条件下组织演变和性能变化规律；典型高温合金部件的损伤和失效模型；高温合金材料的寿命预测理论和方法。高温合金在服役环境中的氧化腐蚀机理；高温合金元素与金属防护涂层之间的热扩散与阻扩散机制；涂层界面成分、界面结构、界面热物性在服役条件下的自适应匹配与相容性；新一代长寿命“自适应型”超高温防护涂层材料设计。 2. 主要研究内容 通过对高温合金成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、塑性变形加工、粉末冶金、喷射成形、高温腐蚀与防护、损伤机理及寿命预测等问题开展研究工作，建立高温合金的成分设计――制备成形――组织控制――使役性能之间的关系，形成先进高温合金材料设计和制备加工的基础理论体系。 具体研究内容分为以下几个方面： （1）单晶高温合金成分设计及强韧化机理 研究合金元素在高温合金中的分布、扩散规律及交互作用， 、碳化物、TCP 等析出相的形成和变化规律，晶界和相界几何结构、界面能与化学成分之间的关系；阐明700-1200o C高温下位错和第二相粒子与固溶强化原子或原子团簇的交互作用规律，从微观和介观尺度上揭示Re、Ru、W、Mo等合金元素强韧化的本质；研究高温合金微合金化的基本原理，确定复杂多元体系中合金元素的最佳匹配关系，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则。 （2）高温合金纯净化冶炼及凝固成形与缺陷控制 研究高温合金熔体杂质元素去除动力学和热力学理论及合金与坩埚、陶瓷等介质界面冶金化学与热力学行为，掌握熔体纯净度及高温熔体处理对定向凝固液/固界面行为和组织特征的影响规律；采用试验与模拟相结合，研究多场耦
先进发动机的基石：中国先进高温合金不断获成果高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。在世界先进发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。可以说，没有高温合金，就没有今天先进的航空发动机。 航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关。高涡轮工作温度是当代先进航空发动机的最显著标志，提高涡轮工作温度是增加推力、提高发动机推重比的重要手段，而影响发动机涡轮前温度的首要因素就是涡轮叶片和涡轮盘的耐温水平。因此，发动机涡轮部件的设计者无一不是穷尽一切手段，追求应用承温能力更高的涡轮盘和叶片材料。先进高温合金正是为满足航空发动机对材料的需求而出现，并随发动机技术的进步而快速发展。 单晶高温合金——革命性的发动机叶片材料 镍基单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。与其他高温合金相比，镍基单晶高温合金具有更为优异的综合性能，成为高推重比航空发动机的关键材料。单晶高温合金在先进航空发动机上的应用，显著提高了发动机的工作温度，推进了发动机技术的进步，没有单晶高温合金，就没有高推重比的航空发动机。
多年来，世界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。 单晶空心涡轮叶片的应用显著推进了航空发动机技术的进步，单晶空心叶片制造技术被列为航空发动机技术发展的关键技术，一直是世界航空技术发达国家争先发展的核心技术。 20世纪80年代初，中航工业航材院在国内率先开始了单晶合金及叶片技术的研究，首先研制成功了我国的第一代单晶高温合金DD3。90年代又研制成功了综合性能优异的第二代单晶高温合金DD6，该合金拉伸、持久、蠕变、疲劳、抗氧化及耐热腐蚀性能等达到甚至部分超过了国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平。自20世纪80年代中期研制成功我国第一件单晶空心涡轮叶片以来，中航工业航材院为多种型号先进航空发动机提供了数万件单晶叶片，某些装配单晶涡轮叶片的发动机已翱翔于蓝天。 粉末高温合金——高性能发动机涡轮盘首选材料
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
二代镍基单晶高温合金牌号-回复 二代镍基单晶高温合金牌号是指第二代使用的镍基单晶高温合金。这种合金因其卓越的高温性能，在航空航天、石油化工、能源等领域得到广泛应用。下文将详细介绍二代镍基单晶高温合金牌号的相关知识。 第一步：介绍镍基单晶高温合金的背景和分类 镍基单晶高温合金作为一种高性能材料，具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性能和抗热疲劳裂纹扩展性能。它可以在高温环境下承受严酷的工作条件，如高温、高压和强腐蚀等。根据合金成分和结构特点的不同，镍基单晶高温合金可分为不同的代次，例如双晶和三晶合金等。其中，二代镍基单晶高温合金是指第二代使用的镍基单晶高温合金，具有更高的性能和耐用性。 第二步：介绍二代镍基单晶高温合金牌号 二代镍基单晶高温合金牌号是标识二代镍基单晶高温合金的编号系统。这个系统通常由一串字母和数字组成，每一个字母和数字都代表着合金中的特定成分和性能。通常情况下，这些牌号由合金制造商或用户指定，并根据合金性能和所需用途的不同进行命名。 例如，常见的二代镍基单晶高温合金牌号包括： 1. CMSX-4：这种合金是由康宁公司（Corning Corporation）开发的，
主要用于航空发动机的燃烧室和涡轮叶片等高温部件。 2. PWA-1480：这种合金是由普惠公司（Pratt & Whitney）开发的，主要用于航空发动机的燃烧室和涡轮叶片等高温部件。 3. Rene N5：这种合金是由洛克希德•马丁公司（Lockheed Martin）开发的，主要用于航空航天领域的燃烧室和喷管等高温部件。 以上只是其中的几个例子，实际上市场上存在着许多不同的二代镍基单晶高温合金牌号，每个牌号都有其独特的性能和用途。 第三步：解读二代镍基单晶高温合金牌号的含义 每个二代镍基单晶高温合金牌号由一串字母和数字组成，这些字符代表了合金中的成分和性能。一般来说，合金的牌号越高级，代表的合金性能也越高。 例如，CMSX-4中的CMS代表康宁公司（Corning Corporation）研发的品牌名称，X代表这是一款镍基单晶高温合金，而4代表这是二代合金中的一种。这款合金具有出色的高温抗氧化性能和高温强度，适用于高温环境中的关键部件。 PWA-1480中的PWA代表普惠公司（Pratt & Whitney）研发的品牌名
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，
一种单晶高温合金不同温度的高周疲劳性能 史振学;赵金乾 【摘要】研究了一种单晶高温合金700℃和800℃的高周疲劳性能,采用扫描电镜和透射电镜分析了断口和断裂机制.结果表明,随着温度升高,合金的疲劳强度系数降低,Basquin系数增加,高周疲劳极限降低.合金700℃与800℃具有相同的高周疲劳断口,都有几个{111}面平面组成,为类解理断裂机制.疲劳断口由裂纹源区、扩展区和瞬断区3部分组成.裂纹起源于试样的表面或亚表面,并沿{111}面扩展.扩展区可见河流状花样、滑移带、疲劳弧线和疲劳条带特征.瞬断区可见解理台阶和撕裂棱.断裂后γ′相仍保持立方形状,位错不均匀分布在γ基体通道中. 【期刊名称】《有色金属科学与工程》 【年(卷),期】2019(010)003 【总页数】6页(P58-63) 【关键词】单晶高温合金;高周疲劳性能;断口 【作者】史振学;赵金乾 【作者单位】北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室,北京100095;北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室,北京100095 【正文语种】中文 【中图分类】TG132.32 单晶高温合金因具有良好力学性能已经在先进航空发动机上获得广泛应用[1-4].因
发动机服役环境异常恶劣，失效常有发生，导致一些突发和难以预料的疲劳失效，其中大多数为不同形式的疲劳断裂[5-8].发动机涡轮叶片作为热端部件工作时承受着极其复杂的温度场，叶片不同部位服役温度相差很大[9].单晶高温合金涡轮叶片常因振动而发生高周疲劳断裂 [10-11].研究表明，温度、应力、频率、单晶材料本身的各向异性等因素都是影响单晶高温合金高周疲劳强度的主要因素[12].无应力超温处理降低合金的单晶高温的高周疲劳性能[5].中温下单晶高温合金具有较高的高周疲劳性能，随着应力增加，疲劳寿命降低[7].在低应力和高的频率下，单晶合金的断裂主要为疲劳控制过程；在高应力和低频率下，合金的断裂主要为蠕变控制过程[10].由于服役过程中单晶叶片不同位置的温度和应力不同，因此研究不同温度下不同应力的合金高周疲劳性能具有重要的工程意义和应用价值，为新型单晶高温合金的设计和应用提供数据支持. 1 试样制备和试验方法 试验材料为一种镍基单晶高温合金，化学成分见表1.采用选晶法在真空定向凝固炉制备单晶试棒，用X射线衍射仪测试单晶试棒的[001]取向偏离度，选取偏离度10°以内的单晶试棒进行后续试验.合金经1 300℃/1 h+1 310℃/2 h+1 320℃/3 h+1 325℃/4 h空冷+1 120℃/4 h/空冷+870℃/24 h/空冷标准热处理后，加工成旋转弯曲高周疲劳性能试样，在700℃和800℃的温度下进行高周疲劳试验，试验频率30 Hz，正弦波形.在S4800场发射扫描电镜上观察合金不同温度的疲劳试样断口形貌，在疲劳断裂试样的断口下2 mm处横截面上切取透射试样，通过JEM-2000FX透射电镜研究合金不同温度疲劳试样的位错特征. 表1 合金成分 /（质量分数，%）Table 1 Chemical compositions of alloy/（mass fraction%）合金元素含量Cr 6.7 CoMo W Ta Re Ti Al Hf C Ni 9.8 0.6 6.4 6.5 3.0 1.0 5.6 0.1 0.005 Bal. 2 结果与分析
航空制造是制造业中高新技术最集中的领域，属于先进制造技术。美国惠普公司研制的F119 发动机，通用电气公司的F120发动机，法国的SNECMA公司的M88-2发动机，英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。这些代表世界先进水平的高性能航空发动机，它们的共同特点是普遍采用了新材料、新工艺和新技术。今天就来看看那些高性能航空发动 机上的新材料。 高温合金 高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡 轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量 所占比例已高达50%以上。 高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶 片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出 很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡 轮叶片材料，同时，又相继发展了 Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍 基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合 金系列。 在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的 出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造 等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定 向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航 空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已 形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。
张工：158 - O 185 -9914 航天航空 高温合金又叫热强合金。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和铸造高温合金。 它是航空航天领域中不可或缺的原材。它是航天，航空制造发动机高温部分的 关键材料。主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机与涡轮盘，涡轮机匣等部位。使用温度范围在600 C-1200 C,受力与环境条件随使用零件所在部分不同而异，对合金的力学，物理，化学性能有严格的要求，是发动机的性能，可靠性与寿命的决定性因素。因此高温合金是各发达国家航空航天，国防领域中的研究重点项目之一。 高温合金应用中主要有： 1. 燃烧室用高温合金 航空涡轮发动机燃烧室（也称火焰筒）是关键的高温部件之一。由于燃油雾化，油 气混合等过程都是在燃烧室进行的，因此燃烧室内温度最高可达1500 C-2000 C,燃烧室内壁温度达1100 C,同时还要承受热应力和燃气应力。高推重比发动机多采用环 形燃烧室，其长度短，容热强度高，燃烧室内最高温温度达2000 C,采用气膜或汽蒸发式
冷却后室壁温度达到1150 C。各部位间有较大的温度梯度会产生热应力，工作状态改变时会急剧升降，材料受热冲击和热疲劳负荷，出现扰曲变形，裂纹等故障。通常燃烧室采用板材合金制造，按具体零件使用条件提出各项技术要求概括如下：使用高温合金和燃气条件下具有一定的抗氧化，抗燃气腐蚀能力；具有一定瞬时和持久强度，热疲劳性能，较低的膨胀系数；具有足够的塑性，焊接性保证加工成形与连接；在热循环下有良好的组织稳定性，保证寿命期内可靠工作。 1)MA956合金多孔层板 多孔层板早期使用HS-188合金薄板经照相，腐蚀刻槽和打孔后用扩散连接制成。内层可按设计要求制成理想的冷却通道，这种结构冷却只需要传统气膜冷却的30% 冷却气体，可提高发动机热循环效率，降低燃烧室材料的实际承热量，减轻重量，增大推重比。目前仍有突破技术关键才能进入实际使用。采用MA956制作多孔层板是美国 推出的新一代燃烧室材料，可在1300 C使用
原材料：镍、钛、钢、铝四足鼎立，复合材料大势所趋 早期的航空发动机采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造，后期为减轻发动机重量、提高耐温性能、提高发动机效率和推重比，而逐步引入了钛合金、高温合金以及复 合材料。当前，航空发动机中传统铝合金和高强度钢、钛合金、镍基高温合金四足鼎 立，复合材料则凭借其优良的综合性能成为未来航空发动机性能进一步提升的不二选择。 表21：航空发动机所使用的主要材料为铝合金、高强度钢、高温合金、复合材料 材料类型材料特点 使用部位 铝合金比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉，不 耐高温 发动机舱、风扇机匣、承载壁板 高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性，有良好的焊接性和成形性， 重量大 发动机轴、机匣、喷管、轴承和传动系统 钛合金密度较低，强度高，抗腐蚀性好，可以在350~450℃以下长期使 用 风扇增压级及压气机叶片、盘 高温合金能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断 裂韧性等综合性能，又被称为“超合金”压气机后面级叶片、燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘、机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等 复合材料及其他运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的 新材料，可以根据不同的使用场景研制不同成分的复合材料以满 足发动机不同部位的需求 风扇叶片、机匣、燃烧室、涡轮叶片图29：高温合金、钛合金是目前航空发动机中应用占比最大的两种材料
2.3.1. “太空金属”钛合金：宝钛股份收入最高、西部超导毛利高于行业平均 钛合金指用钛与其他金属制成的合金金属，以其轻质、高强度、抗腐蚀性能好的优势， 特别适合应用于航空航天领域，因而被称为“太空金属”。航空用钛合金属于钛工业链条中的高 端产品，在航空发动机冷端部件中得到大量使用。 我国钛合金产业集中度高、陕西省钛材生产领跑全国，主要上市企业有宝钛股份、西部超导、西部材料。其中西部超导钛合金产品应用市场集中，主要为航空航天等军工产业，销售 毛利率较高。 表22：主要钛合金上市公司2020 年相关业务情况: 宝钛股份收入最高、西部超导毛利高于行业平均 上市公司钛合金在主 营业务占比 主要钛合金产品钛合金产品主要市场 钛合金产量 （吨） 钛合金销售收入 （亿人民币） 钛合金产 品毛利率 宝钛股份85.59% 钛及钛合金板、带、 箔、管、棒、线、锻 件、铸件等加工材 航空航天、船舶、石油化 工、冶金等 18,794 37.1 25.90% 西部超导88.63% 高端钛合金棒材、丝 材及锻坯等 航空航天、船舶4,877 17.8 43.03% 西部材料66.94% 钛及钛合金铸锭，板 坯，锻件，热轧中厚 板，冷轧薄板，带材， 管材 航空航天、船舶、兵器、能 源化工、冶金、医疗、体育、 建筑 5,299 13.6 21.54% 2.3.2. “先进航空发动机的基石”高温合金: 钢研高纳产量最高、业务集中度最高 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，按照制造过程的不同可以分为变形高温合金、铸造高温合金和新型高温合金。 国内从事高温合金生产的单位分为三类，一类是特钢企业，如抚顺特钢、宝钢特钢等；另一类是研究院所，如中国航发航空材料研究院、中科院沈阳金属研究所，钢铁研究总院系统的下属企业钢研高纳等，第三类是民营企业如图南股份、江苏隆达等。
第二代镍基单晶高温合金低温蠕变行 为原位研究 摘要： 本研究探究了第二代镍基单晶高温合金的低温蠕变行为，采用原位研 究的方法，结合显微学和力学测试，将其与传统高温蠕变行为进行了 比较。 通过拉伸和压缩试验，发现镍基单晶高温合金在低温下存在较为显著 的蠕变现象。蠕变现象的出现主要是由于材料内部的晶体滑移和扩散 引起的。不同方向的晶粒在低温下表现出了不同的蠕变行为，其中001方向的晶粒蠕变程度最严重。 此外，本研究对蠕变过程中的晶界扩散行为也进行了探究，通过原位 观察，得出了晶界扩散对蠕变的影响。结果表明，晶界扩散加速了晶 体滑移过程，进一步促进了低温蠕变。 关键词：第二代镍基单晶高温合金；低温蠕变；晶体滑移；晶界扩散；原位研究 Abstract: This study investigates the low-temperature creep behavior of second-generation nickel-based single crystal high temperature alloys. In-situ research methods were used, and the results were compared with traditional high-temperature creep behavior using microscopy and mechanical testing.
Through tensile and compressive testing, it was found that the nickel-based single crystal high-temperature alloy exhibits significant creep behavior at low temperatures. The appearance of creep behavior is mainly caused by the internal crystal slip and diffusion of the material. Different crystal grains show different creep behavior at low temperatures, and the 001-direction crystal grain shows the most significant degree of creep. In addition, this study also investigated the diffusion behavior of grain boundaries during creep. Through in-situ observations, it was found that grain boundary diffusion affects the creep behavior. The results show that grain boundary diffusion accelerates the crystal slip process and further promotes low-temperature creep. Keywords: second-generation nickel-based single crystal high temperature alloy; low-temperature creep; crystal slip; grain boundary diffusion; in-situ research. The findings of this study have important implications for improving the design and performance of second-generation nickel-based single crystal high temperature alloys. By understanding the mechanisms of low-temperature creep, researchers can develop new alloys with better creep resistance and longer service life in high-temperature environments. One way to improve creep resistance is to minimize the diffusion of atoms along grain boundaries. This can be achieved by controlling the chemical composition and
第1章材料概论 1。材料的定义：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质. 2.材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料.如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。 3.材料的分类 根据材料的来源分类:天然材料，人工材料(钢铁材料，陶瓷材料，合成纤维，复合材等） 材料按化学组成（或基本组成）分类: ①金属材料 ②无机非金属材料(以某些元素的氧化物、碳化物、氢化物、卤素化合物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。）如：陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料 ③高分子材料（聚合物) ④复合材料（是由两种或两种以上化学本质不同的材料组合在一起,使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料.一种组成为基体，其粘结作用，另一种或几种为增强体或功能组元，起增加强度或功能的作用.)按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等。按增强剂形状分类：粒子、纤维及层状复合材料。 材料按用途来分类：结构材料（以力学性能为基础,制造受力构件所用材料。)，功能材料(主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。） 一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。 材料按结晶状态分类：单晶材料（由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；)多晶材料（由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。） 非晶态材料(由原子或分子排列无明显规律的固体材料,如玻璃、高分子材料。）准晶材料（指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系。） 材料按使用领域分类：根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。 其他常见的分类方法：传统材料（基础材料）如钢铁、水泥、塑料等.新型材料（先进材料)