鎳基單晶空心渦輪葉片的凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件，長(zhǎng)期處在高溫環(huán)境，接受復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變考驗(yàn)，成為工況最為惡劣的航空零部件，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，復(fù)合冷卻的單晶空心渦輪葉片的設(shè)計(jì)與制備已成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的核心技術(shù)。根據(jù)國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能渦輪葉片的重大需求，本論文重點(diǎn)研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基單晶空心渦輪葉片在定向凝固過程中各凝固階段微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及機(jī)理，自主設(shè)計(jì)了單晶空心渦輪葉片鑄形及型芯結(jié)構(gòu)，并研究了在其制備過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)葉片成型的影

2、響規(guī)律，分析了在葉片鑄造過程中澆不足、縮松、縮孔、雜晶及小角度晶界等缺陷的形成規(guī)律及機(jī)制，探究了熱處理及再結(jié)晶行為對(duì)葉片微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及機(jī)制，最后，對(duì)鎳基單晶薄壁鑄件高溫拉伸和蠕變性能進(jìn)行表征及斷裂機(jī)制分析，為高性能單晶空心渦輪葉片的研發(fā)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。并獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　系統(tǒng)研究鎳基單晶合金DD5的定向凝固規(guī)律，并通過工藝優(yōu)化成功制備了鎳基單晶空心渦輪葉片，探索了葉片在定向凝固過程中各凝固階段微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及機(jī)

3、理，結(jié)果表明:選晶器的引晶段隨固液面的推進(jìn)，一次枝晶間距逐漸增大，晶粒偏轉(zhuǎn)角逐漸減小，取向得到優(yōu)化。選晶段的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)晶粒取向沒有優(yōu)化作用。葉身凝固特點(diǎn)是隨著葉片壁厚增加，枝晶間距逐漸增大，枝晶干內(nèi)γ'相的尺寸呈增加趨勢(shì)。變截面的凝固特征為凝固順序與其自身的冷卻順序相反，晶體生長(zhǎng)是從溫度最低的邊緣開始不斷向葉身推進(jìn)，最后與葉身生長(zhǎng)的單晶組織匯合。
　　自主設(shè)計(jì)了單晶空心渦輪葉片型芯及鑄形結(jié)構(gòu)。研究了DD5單晶空心渦輪葉片制備工藝，

4、包括氧化硅基陶瓷型芯的制備、型殼與型芯間連接方式、剛玉陶瓷型殼的制備等。通過熱重-差熱分析(TG-DTA)試驗(yàn)，探究了DD5單晶合金的相變溫度及熔點(diǎn)，并研究了定向凝固過程中，保溫溫度及抽拉速度對(duì)單晶空心葉片微結(jié)構(gòu)的影響，探討了化學(xué)脫芯法中影響脫芯速率的主要因素。
　　鎳基單晶空心渦輪葉片鑄造缺陷的形成規(guī)律及機(jī)制研究表明:澆不足缺陷通常發(fā)生在單晶空心葉片薄壁位置，金屬液的充型能力與合金特性、澆注溫度、壁厚尺寸等因素有關(guān);宏觀縮松通常

5、產(chǎn)生于沿重力方向的枝晶間，有時(shí)會(huì)在單晶空心葉片表面形成溝槽狀的“隧道式縮松”，有時(shí)產(chǎn)生于葉片內(nèi)部，而微觀縮孔產(chǎn)生于枝晶間γ/γ'相共晶組織附近，多呈現(xiàn)為圓形、不規(guī)則的長(zhǎng)條形或三角形;雜晶通常形核于葉片變截面的邊角位置，在遠(yuǎn)離保溫加熱器一側(cè)的變截面更易產(chǎn)生雜晶，原始晶粒和雜晶競(jìng)相生長(zhǎng)形成的晶界遷移是非線性的，一些位置的枝晶相互滲透、犬牙交錯(cuò)，但晶界整體推進(jìn)趨勢(shì)并不改變，雜晶晶界是由鏈條狀γ'相和大塊γ/γ'共晶體組成;小角度晶界位于相鄰一

6、次枝晶間區(qū)域，由三維曲面組成，在過渡區(qū)形成的二次枝晶呈不對(duì)稱生長(zhǎng)，此外，晶界內(nèi)會(huì)沉淀出一定的碳化物和硼化物，沉淀析出的γ'相立方體也不完整，存在不規(guī)則排列形貌。
　　熱處理對(duì)葉片微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究表明:固溶處理后，枝晶干和枝晶間界限變的較為模糊，但還是有較清晰的分界，元素偏析有所減輕，粗大γ'相及枝晶間γ/γ'共晶組織消除，析出自由的細(xì)小不規(guī)則的γ'相，隨著葉片壁厚增加，殘余共晶增多，γ'相尺寸增大。再經(jīng)時(shí)效處理后，γ'相尺寸分布

7、集中，尺寸差異減少，形貌規(guī)則，立方度增加，γ基體通道中析出分布不規(guī)則、細(xì)小的三次γ'相。
　　葉片榫頭再結(jié)晶行為研究表明:不同載荷下的DD5單晶試樣經(jīng)1230℃/4h，ac熱處理后，隨著載荷增加，受載荷影響區(qū)域深度增加，該區(qū)域枝晶間空間增大，未溶解的共晶組織周圍彌散分布大量與γ相共格的γ相顆粒物，γ'相粒子以胞狀形式重新析出，尺寸和深度隨載荷的增大而增加;經(jīng)1315℃/4h，ac.熱處理后發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，隨著載荷增加再結(jié)晶區(qū)域增大

8、，受載荷影響區(qū)域的枝晶干發(fā)生鈍化，枝晶干與枝晶間界限消失，再結(jié)晶晶粒間存在γ/γ'共晶組織。
　　鎳基單晶薄壁鑄件高溫拉伸斷裂機(jī)制研究表明:當(dāng)溫度為800℃時(shí)，壁厚對(duì)拉伸強(qiáng)度有一定的影響，但規(guī)律并不明顯，隨壁厚減小，延伸率減小，薄壁鑄件斷口形貌平坦;1000℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)試樣與薄壁鑄件拉伸強(qiáng)度相差幅度比800℃小，標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口有頸縮現(xiàn)象，形成大量的等軸韌窩。薄壁試樣斷口形貌相似，也存在大量的韌窩，但壁厚為1.3mm和1.6mm的斷口在