高压涡轮叶片定向凝固技术

RENE150定向凝固高温合金涡轮叶片

摘要：

政府和工业界4年合作项目，属于MATE先进涡轮发动机材料项目，经改善铸造和加工方法的镍基高温合金RENE150定向凝固转子零件已经实施用于发动机测试。该部件制造用于CF6-50高压一级涡轮转子叶片，本项目的目标是：（1）表明在推力可调、先进的商用CF6-50发动机（提升燃油效率1.45%sfc）上提高运行温度的能力；（2）改善叶片铸造工艺，该工艺允许叶片在保证质量的前提下不超过原RENE80叶片制造成本的1.5倍。

本项目分成八个任务：

TASK1：包括涡轮叶片的设计和分析;

TASK2：包括合金制备和评估、机匣/核心机选择、初步铸造参数设计;

TASK3：包括RENE150涡轮叶片外部涂层系统的适配和选择;

TASK4：确定RENE150涡轮叶片铸造工艺，包括试制铸造过程和项目铸造成本分析。

TASK5：包括涡轮叶片成品制造，该叶片用于部件试验；

TASK6：包括用于发动机试车的成品叶片制造；

TASK7：包括地面发动机RENE150涡轮叶片成品测试；

TASK8：地面发动机测试结果分析。

第二册文件是TASK5核心机试车结果和最后两个任务的结论。

RENE150高压涡轮叶片已成功完成投产型DS铸造，有涂层和没有涂层两种叶片机械和物理性能符合设计要求，叶片已完成加速持久试车，结论在第二册中分别给出。

1 概述

本项目的任务是扩大先进的DS涡轮叶片合金Rene150在CF6-50发动机HPT一级涡轮叶片的应用范围。本次扩展应用将许可RENE150提升运行温度（超过RENE80）以期实现商用发动机CF6-50提升1.45%燃油效率。本项目将通过改进铸造工艺，使得该叶片制造成本能够在不超过Rene80叶片1.5倍的前提下，完成批量生产。

项目开始阶段使用的是1977年9月的RENE150性能数据（见表1），初步设计分析确定RENE150材料应用于CF6-50叶片上时抗温度、载荷和应力的性能。该分析表明RENE150可应用于CF6-50一级高压涡轮叶片设计。通过研究空气冷却模式，确定其对叶片温度、应力和寿命的影响，并改进叶片冷却结构（对完成发动机试车验证是必须的）。相对RENE80叶片，RENE150涡轮叶片冷却性能改进后实现提升平均使用温度56℃（100℉）。去除一排进气边冷却孔，如图1所示，在叶片底部使用一个节流板控制进入叶片空气量。

与初始设计活动并行开展RENE150合金的采购和验证工作以满足整个项目需求。共采购1.6吨定型RENE150合金。该铸件已完成基于GE标准的测试验证，包括化学分析，可铸性、拉伸和应力断裂测试。

四个陶瓷芯材料和四个面层/陶瓷涂层组合被评估后用于叶片铸造过程。基于Rene150合金溶液可铸性和稳定性选用SR-731芯体。基于表面粗糙度和温度特性，选用氧化铝涂层/莫来石陶瓷涂层组合系统，用于GE的快速自动化多功能DS铸造过程。

叶片制造需要的陶瓷模具已完成制造，初步铸造试验已经完成。但模具需要在叶片伸根区域进行改造，如图2所示，通过增加附加的金属厚度用于阻止铸造过程中的裂纹产生。该附加材料最终将通过电火花工艺移除以获取所需的尺寸。使用改造后的铸造工具做了20次最终设计铸造试验，已完成晶相结构、荧光、目视检查和X光检查。没有遇到大的问题，因此，铸造过程的预制已完成。基于80%通过了初步铸造检查，本工艺被定为部件和发动机试验用叶片铸造工艺。

本项目已完成成本分析，基于最终定型工艺和可接受标准，成本测算的是定型状态的RENE150涡轮叶片。在合理可获得的叶片标本下，估计RENE150涡轮叶片成本约为Rene80等轴晶叶片的1.5倍。

用于部件试验和发动机试验的RENE150涡轮叶片使用RAM-DS 工艺。铸造工序已完成，打冷却孔、焊接叶尖盖板，最终机加工也已完成，最终检查符合图纸要求。伸根区域的附加材料已通过电火花加工去除。铸造合格率是可接受的，打冷却孔时没有出现问题。大量的损耗是由于不正确的冷却孔定位，经验表明是使用了较软的工具导致。这种损耗在整个制造过程中是不可接受的。

电镀铝NiCrAlHf工艺最初选用于外部涂层，该涂层包括三种电镀层包括Cr和Ni，以及包覆渗工艺增加Hf和Al。通过评估其对叶片保护能力，表明该涂层适用于Rene150叶片；然而，基于GE正在开展的平行项目结果，一种替换涂层被用于测试叶片制造过程。

叶片制造的同时，进行机械性能和部件测试，以最大保障该叶片在发动机试验中的安全性和成功率。这些试验将是寿命预测和可靠性预测的基础。进行HCF试验为部件试验和数据对比提供一个极限设置的基础。生成的古德曼图表被用于建立与发动机叶片设计和性能相关的HCF能力要求。叶片部件试验包括：

应变分布、频率和振型试验用于确定涡轮叶片对各种激振模型的响应。

部件HCF试验建立叶片疲劳强度与试棒数据的关系，以及确定叶片应力/应变性能参数。

核心机试验预测叶片性能。

冲击试验建立叶片抗外来物损伤能力。

模拟发动机热冲击试验提供基本热疲劳性能信息。

这些试验确定叶片能够满足涡扇发动机耐久性试验要求。

有涂层成品叶片安装在CF6-50转子上，如图3所示。发动机组装完成，叶片完成工厂试车的耐久性试验；试验结果在第二册。

项目2的结果确定增加Rene150服役温度，并表明能够通过铸造过程达到设计目的。本项目大幅提升镍基DS高温合金工艺水平。获取了该合金的性能参数，尤其具有价值。

2 介绍

2.1 背景

NASA先进航空发动机材料项目主要目的是推进新材料技术在

先进航空发动机中的应用以取得经济和性能提升。项目包括加快对所选材料技术的转换，通过从可行性阶段到发动机验证阶段的推广，以及对材料技术投资/收益分析，为后续材料技术的选择提供指导。

本报告中，GE MATE的项目2，阐述了将定向结晶涡轮叶片合金（rene150）推广应用到CF6-50发动机的高压一级涡轮叶片上。下面段落描述了MATE项目的目标，以及RENE150的某些材料特性。

在喷气发动机的早期阶段，便期望提高涡轮叶片的材料性能。因此已开发了一系列新的高温合金。以每年提高8℃的抗高温能力增长。从1950年早期开始，通过改进镍基高温合金的γ`强度来提高材料的抗高温能力。认为通过改进等轴晶、真空铸造方式的高温合金，是不可能超过今天使用的最好合金（RENE125）的。

相比于传统的、随机定向微观结构的高温合金来说，定向结晶高温合金，至少有三大优势：

➢基本上消除了垂直于结晶方向上晶界的强度限制；在涡轮叶片上，这也是主要轴向应力；消除这种强度后增强了断裂强度；

➢从本质上降低了在结晶方向上的弹性模量，极大的降低了由热梯度所产生的断裂应力，因此提高了抗热疲劳能力。

➢在结晶方向上，大幅提高延展性。允许添加更多合金元素来提高强度，并且保持原有延展性。

因此GE已建立了合金目标（rene150）。该合金的目标是超过rene125的性能。Rene150采用定向结晶并增强γ相强度，由于采用了定向结晶技术，rene150会比125要重一些。150的材料成分在附