高压涡轮叶片定向凝固技术

第23卷 增刊 2 钢铁研究学报 V ol.23, Supplement 2 2011年12月 Journal of Iron and Steel Research December 2011____________________________________作者简介：董志国（1977—），男，博士，主要从事航空发动机设计选材工作航空发动机涡轮叶片材料的应用与发展董志国， 王 鸣， 李晓欣， 滕佰秋（沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）摘 要：从技术发展的角度介绍了航空发动机涡轮叶片材料的应用情况，阐述了涡轮叶片设计思想的发展、对未来涡轮叶片可供选用的新材料进行了前瞻。

关键词：航空发动机；涡轮叶片；高温合金；发展Application and Progress of Materials for Turbine Bladeof AeroengineDONG Zhi-guo, WANG Ming, LI Xiao-xin, TENG Bai-qiu(Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang 110015, Liaoning, China)Abstract: From the viewpoint of technological development, we introduce the applications of the turbine blade of aeroengine. illustrate the progress of the design ideas about turbine blade and look forward to the new available materials used in turbine blane. Key words: aeroengine; turbovane; superalloy; progress1 引言燃气涡轮是航空燃气涡轮发动机的重要部件之一，为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度。

第16卷第1期精密成形工程陈楚玥，霍苗*，简航岳（西安石油大学材料科学与工程学院，西安 710065）摘要：随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大，镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。

其中，杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷，严重影响单晶叶片的成品率。

为了减少该类凝固缺陷的产生，提高叶片的成品率，研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施，对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。

因此，关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究，引起了国内外研究者的广泛关注。

本文综述了单晶叶片的制备技术，分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理，分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施，并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：镍基单晶高温合金；定向凝固；杂晶缺陷；控制方法DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.015中图分类号：TG132.3 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)01-0129-11Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal SuperalloyCHEN Chuyue, HUO Miao*, JIAN Hangyue(School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)ABSTRACT: With the complexity of turbine blade structure and the increase of refractory elements in alloy, solidification de-fects such as stray grain, freckles, dendrites fragment and low angle grain boundaries are more likely to occur during the prepa-ration of nickel-based single crystal superalloy blades. Among them, the occurrence of stray grain is a prevalent defect during the solidification process in the production of single crystal blades, which seriously affects the delivery rate of single crystal blades. In order to reduce the occurrence of such solidification defects and improve the yield of blades, the work aims to study the formation mechanism, affecting factors and strategies for mitigating stray grain defects in nickel-based single crystal super-alloy, which is of significant importance for enhancing the service performance of single crystal blades. Therefore, the investiga-tion into the formation mechanism, affecting factors, and strategies for mitigating stray grain defects in directional solidification process has attracted extensive attention from researchers in China and abroad. The preparation technology of single crystal收稿日期：2023-08-19Received：2023-08-19基金项目：国家自然科学基金（5210011310）；陕西省自然科学基础研究计划（2021JM-403）；陕西省教育厅科研计划（21JC027）；西安市科技计划（2020KJRC0100）Fund：National Natural Science Foundation of China(521001130); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi Province （2021JM-403）；Scientific Research Program of Shaanxi Provincial Education Department (21JC027)；Xi'an Science and Technology Plan(2020KJRC0100)引文格式：陈楚玥, 霍苗, 简航岳. 镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 129-139.CHEN Chuyue, HUO Miao, JIAN Hangyue. Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal Superalloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 129-139.*通信作者（Corresponding author）130精密成形工程 2024年1月blade was reviewed, the formation mechanism of stray grain at different positions in the preparation process of single crystal blade by seed crystal method and crystal selection method was analyzed, the affecting factors and measures used to control stray grain in the crystal selection section, seed crystal remelting zone and edge plate stray grain were discussed, and the future re-search direction was prospected.KEY WORDS: Ni-based single crystal superalloy; directional solidification; stray grain defect; control methods随着交通、生产等行业对飞机性能要求的不断提高，最早的活塞式发动机已不能满足需求，燃气涡轮发动机逐渐走向主流。

大修航空发动机涡轮叶片的检修技术介绍了涡轮叶片的清洗、无损检测、叶型完整性检测等预处理, 以及包括表面损伤修理、叶顶修复、热静压、喷丸强化及涂层修复等在内的先进修理技术。

涡轮叶片的工作条件非常恶劣, 因此, 在性能先进的航空发动机上, 涡轮叶片都采用了性能优异但价格十分昂贵的镍基和钴基高温合金材料以及复杂的制造工艺, 例如, 定向凝固叶片和单晶叶片。

在维修车间采用先进的修理技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复, 延长其使用寿命, 减少更换叶片, 可获得可观的经济收益。

为了有效提高航空发动机的工作可靠性和经济性, 涡轮叶片先进的修理技术日益受到发动机用户和修理单位的重视, 并获得了广泛的应用。

1.修理前的处理与检测涡轮叶片在实施修理工艺之前进行必要的预处理和检测, 以清除其表面的附着杂质；对叶片损伤形式和损伤程度做出评估, 从而确定叶片的可修理度和采用的修理技术手段。

1.1清洗由于涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和(或)基体经过高温氧化腐蚀后所产生的热蚀层, 一般统称为积炭。

积炭致使涡轮效率下降, 热蚀层会降低叶片的机械强度和叶片表面处理的工艺效果, 同时积炭也掩盖了叶片表面的损伤, 不便于检测。

因此, 叶片在进行检测和修理前, 要清除积炭。

1.2无损检测在修理前, 使用先进的检测仪器对叶片的叶型完整性和内部结构进行检测, 以评估磨损、烧熔、腐蚀、掉块、裂纹、积炭和散热孔堵塞等损伤缺陷情况, 从而指导叶片的具体修理工艺。

目前, CT已经成为适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹的主要方法。

一台CT机由x辐射源和专用计算机组成。

检测时, 辐射源以扇形释放光子, 通过被检叶片后被探测器采集。

其光子量和密度被综合后, 产生一幅二维层析x光照片, 即物体的截面图, 从中分析叶片内部组织结构, 得出裂纹的准确位置及尺度。

连续拍摄物体的二维扫描, 可生成数字化三维扫描图, 用于检测整个叶片的缺陷, 还可检测空心叶片冷却通道的情况。