高壓渦輪葉片定向凝固技術

1、RENE153向凝固高溫合金渦輪葉片摘要：政府和工業(yè)界4年合作項目，屬于MATE先進渦輪發(fā)動機材料 項目，經(jīng)改善鑄造和加工方法的銀基高溫合金RENE150定向凝固轉子零件已經(jīng)實施用于發(fā)動機測試。該部件制造用于CF6-50高壓一級渦輪轉子葉片，本項目的目標是：（1）表明在推力可調、先進的商用 CF6-50發(fā)動機（提升燃油效率1.45%sfc）上提高運行溫度的能力；（2） 改善葉片鑄造工藝，該工藝允許葉片在保證質量的前提下不超過原 RENE80葉片制造成本的1.5倍。本項目分成八個任務：TASK1 :包括渦輪葉片的設計和分析；TASK2 :包括合金制備和評估、機匣/核心機選擇、初步鑄造參 數(shù)設計；

2、TASK3:包括RENE150渦輪葉片外部涂層系統(tǒng)的適配和選擇；TASK4 :確定RENE150渦輪葉片鑄造工藝，包括試制鑄造過程 和項目鑄造成本分析。TASK5 :包括渦輪葉片成品制造，該葉片用于部件試驗；TASK6 :包括用于發(fā)動機試車的成品葉片制造；TASK7:包括地面發(fā)動機RENE150渦輪葉片成品測試；TASK8 :地面發(fā)動機測試結果分析。第二冊文件是TASK5核心機試車結果和最后兩個任務的結論RENE150高壓渦輪葉片已成功完成投產(chǎn)型 DS鑄造，有涂層和沒有涂層兩種葉片機械和物理性能符合設計要求，葉片已完成加速持久 試車，結論在第二冊中分別給出。1概述本項目的任務是擴大先進的 DS

3、渦輪葉片合金Rene15如CF6-50 發(fā)動機 HPT 一級渦輪葉片的應用范圍。本次擴展應用將許可 RENE150提升運行溫度（超過RENE80）以期實現(xiàn)商用發(fā)動機 CF6-50 提升1.45%燃油效率。本項目將通過改進鑄造工藝，使得該葉片制造 成本能夠在不超過Rene80葉片1.5倍的前提下，完成批量生產(chǎn)。項目開始階段使用的是1977年9月的RENE150性能數(shù)據(jù)（見表 1）,初步設計分析確定 RENE150材料應用于CF6-50葉片上時抗溫 度、載荷和應力的性能。該分析表明 RENE150可應用于CF6-50 級高壓渦輪葉片設計。通過研究空氣冷卻模式，確定其對葉片溫度、 應力和壽命的影響，

4、并改進葉片冷卻結構（對完成發(fā)動機試車驗證是 必須的）。相對RENE80葉片，RENE150渦輪葉片冷卻性能改進后實 現(xiàn)提升平均使用溫度56 C （1007）。去除一排進氣邊冷卻孔，如圖 1所示，在葉片底部使用一個節(jié)流板控制進入葉片空氣量。與初始設計活動并行開展 RENE150合金的采購和驗證工作以滿 足整個項目需求。共采購1.6噸定型RENE150合金。該鑄件已完成 基于GE標準的測試驗證，包括化學分析，可鑄性、拉伸和應力斷裂 測試。四個陶瓷芯材料和四個面層/陶瓷涂層組合被評估后用于葉片鑄造過程。基于Rene150合金溶液可鑄性和穩(wěn)定性選用 SR-731芯體。 基于表面粗糙度和溫度特性，選用氧

5、化鋁涂層 /莫來石陶瓷涂層組合 系統(tǒng)，用于GE的快速自動化多功能DS鑄造過程。Tahiti 1B Avai I比在口鼻 15n 心ntn At Prajct Tni hiTeatTemperatuirej Those properties marked with me asterisk were deLermiried in the longitudinHl direction only; allotHer properties were dfstermlrLed both in longitudinal and transverse directions +Range 口 tesperaty

6、re fiver uhieih testing was condticted. C * F)RoomTens pe Future650(1200)760(1400)箭G (L6QQ)泡 (LBoa)LlQf (2000)TensileUltimate Tensile Strength (UTS)Qb2Z Yield Strength (S)Elongatlam (El) Redmetion in Area (RA)Stress Rupture b IDO hrStress Rupturej, 1000 hrCreepp 0+5XLou Cycle Fatigue (LCF)Strain Con

7、trol= 1)LoadControlK匚1+4LoadControlKc2.8LoadControlKt*6.0CdDinb ined Strigfis Fatigue (CSF)A。1L.Oj, 0.67j Axial-Axial and Axial-BetidingSimu 1 $Engine Thermal Shnpk(SET)Stability (1000-hr exposure)*Elafitic ModulusCoefficient f Thermal ExpansionOxidation*Hat Corrosion*X * X XX X X XX X 1 XXXXK X X X

8、KXXK X X XXXXX XX XXXX1一1Bulk Average TemperatureCooling Air RequiredLCFLifeStress Rupture LifeRene 80Rene 150Baseline+56 C(100 F)Baseline-0.23X W2cBaseline10XBaseline2XFigure 1. Improvements in Current CF6-50 Engine with Rene 150 Turbine Blades.Figure 2 Final Design Casting Trials, CF650 Blade.葉片制造

9、需要的陶瓷模具已完成制造，初步鑄造試驗已經(jīng)完成。但模具需要在葉片伸根區(qū)域進行改造， 如圖2所示，通過增加附加的 金屬厚度用于阻止鑄造過程中的裂紋產(chǎn)生。該附加材料最終將通過電火花工藝移除以獲取所需的尺寸。使用改造后的鑄造工具做了20次最終設計鑄造試驗，已完成晶相結構、熒光、目視檢查和X光檢查。沒有遇到大的問題，因此，鑄造過程的預制已完成?；?0%通過了 初步鑄造檢查，本工藝被定為部件和發(fā)動機試驗用葉片鑄造工藝。本項目已完成成本分析，基于最終定型工藝和可接受標準， 成本 測算的是定型狀態(tài)的RENE150渦輪葉片。在合理可獲得的葉片標本 下，估計RENE150渦輪葉片成本約為 Rene80等軸晶葉

10、片的1.5倍。用于部件試驗和發(fā)動機試驗的 RENE150渦輪葉片使用RAM-DS 工藝。鑄造工序已完成，打冷卻孔、焊接葉尖蓋板，最終機加工也已 完成，最終檢查符合圖紙要求。伸根區(qū)域的附加材料已通過電火花加 工去除。鑄造合格率是可接受的，打冷卻孔時沒有出現(xiàn)問題。大量的 損耗是由于不正確的冷卻孔定位，經(jīng)驗表明是使用了較軟的工具導 致。這種損耗在整個制造過程中是不可接受的。電鍍鋁NiCrAlHf工藝最初選用于外部涂層，該涂層包括三種電 鍍層包括Cr和Ni,以及包覆滲工藝增加Hf和Al。通過評估其對葉 片保護能力，表明該涂層適用于 Rene150葉片；然而，基于GE正在 開展的平行項目結果，一種替換涂

11、層被用于測試葉片制造過程。葉片制造的同時，進行機械性能和部件測試，以最大保障該葉片 在發(fā)動機試驗中的安全性和成功率。這些試驗將是壽命預測和可靠性 預測的基礎。進行HCF試驗為部件試驗和數(shù)據(jù)對比提供一個極限設 置的基礎。生成的古德曼圖表被用于建立與發(fā)動機葉片設計和性能相 關的HCF能力要求。葉片部件試驗包括：應變分布、頻率和振型試驗用于確定渦輪葉片對各種激振模型的 響應。部件HCF試驗建立葉片疲勞強度與試棒數(shù)據(jù)的關系，以及確定 葉片應力/應變性能參數(shù)核心機試驗預測葉片性能。沖擊試驗建立葉片抗外來物損傷能力。模擬發(fā)動機熱沖擊試驗提供基本熱疲勞性能信息。這些試驗確定葉片能夠滿足渦扇發(fā)動機耐久性試驗要

12、求。有涂層成品葉片安裝在 CF6-50轉子上，如圖3所示。發(fā)動機組 裝完成，葉片完成工廠試車的耐久性試驗；試驗結果在第二冊。項目2的結果確定增加Rene150服役溫度，并表明能夠通過鑄造 過程達到設計目的。本項目大幅提升銀基 DS高溫合金工藝水平。獲取了該合金的性能參數(shù)，尤其具有價值Figure 3. Renc 150 CF6-50 Stage 1 HPT Blades Assembled In Rotor *2介紹2.1背景NASA先進航空發(fā)動機材料項目主要目的是推進新材料技術在 先進航空發(fā)動機中的應用以取得經(jīng)濟和性能提升。 項目包括加快對所 選材料技術的轉換，通過從可行性階段到發(fā)動機驗證階

13、段的推廣， 以 及對材料技術投資/收益分析，為后續(xù)材料技術的選擇提供指導。本報告中，GE MATE的項目2,闡述了將定向結晶渦輪葉片合 金（rene15。推廣應用到CF6-50發(fā)動機的高壓一級渦輪葉片上。下 面段落描述了 MATE項目的目標，以及RENE150的某些材料特性。在噴氣發(fā)動機的早期階段，便期望提高渦輪葉片的材料性能。因 此已開發(fā)了一系列新的高溫合金。以每年提高8c的抗高溫能力增長。 從1950年早期開始，通過改進銀基高溫合金的 丫強度來提高材料的 抗高溫能力。認為通過改進等軸晶、真空鑄造方式的高溫合金，是不 可能超過今天使用的最好合金（RENE125）的。相比于傳統(tǒng)的、隨機定向微觀

14、結構的高溫合金來說， 定向結晶高 溫合金，至少有三大優(yōu)勢：?基本上消除了垂直于結晶方向上晶界的強度限制；在渦輪葉片 上，這也是主要軸向應力；消除這種強度后增強了斷裂強度；?從本質上降低了在結晶方向上的彈性模量， 極大的降低了由熱 梯度所產(chǎn)生的斷裂應力，因此提高了抗熱疲勞能力。?在結晶方向上，大幅提高延展性。允許添加更多合金元素來提 高強度，并且保持原有延展性。因此GE已建立了合金目標（rene150）。該合金的目標是超過 rene125的性能。Rene150采用定向結晶并增強 丫相強度，由于采用 了定向結晶技術，rene150會比125要重一些。150的材料成分在附 錄A中給出。當合金按照傳統(tǒng)

15、鑄件進行初始設計， 并采用定向結晶時，僅能小 幅度提高抗高溫性能。Rene150充分利用DS工藝優(yōu)勢，與當前DS 合金相比，獲得了 28到33c的斷裂強度未&度。相比于 GE的rene80 高出64c的裕度，比rene125高出33c裕度。Rene150的初期斷裂應力強度數(shù)據(jù)表明，比 CC rene80材料的抗 高溫能力提高64-67C。150與80和125的斷裂強度對比圖，見圖4. 附錄A給出了在本項目實施前的rene150其它數(shù)據(jù)：成分、密度、拉 伸特性、彈性模量、抗氧化特性、抗熱腐蝕特性、熱膨脹率、LCF和熱傳導率?；谕瑀ene80在CF6-50發(fā)動機上的使用經(jīng)驗，對比 rene80和

16、rene150,評估150的優(yōu)勢：參數(shù)百分比比燃油消耗率-1.45%燃油消耗量-3.23%直接運行成本-1.85%投資回報率+0.64%本項目采用了獨特的 DS過程。其術語為快速自動多核DS(RAM-DS )。該過程與傳統(tǒng)鑄造工藝有較大不同， 在具有獨立加熱， 冷卻，和分離系統(tǒng)的單模具中鑄造葉片，而不是傳統(tǒng)的多模具鑄造方 法。盡管GE在150材料的開發(fā)過程中取得了較大的技術進步，但仍需要加大材料推廣應用力度，才能將其材料運用于商業(yè)領域二Figure 4. Stress Rupture of Turbine Rliid脖 Alloys-2.2項目概況GE的MATE項目2,其總目標是推廣rene1

17、50的運用以及rene150 葉片的發(fā)動機試車，150是一種先進的適用于發(fā)動機渦輪葉片的高溫 合金。選用CF6-50發(fā)動機的一級渦輪葉片來驗證材料的性能。項目 的目的有：（1）在CF6-50發(fā)動機，使用rene150制造一級HPT葉 片，證明其能夠提高運行溫度，并降低1.45%的燃油消耗量。（2）優(yōu)化葉片鑄造工藝，使得鑄造rene150葉片的費用不超過鑄造rene80 葉片的1.5倍。項目2的TASK:TASK 1:渦輪葉片設計和分析TASK 2:初步rene150材料系統(tǒng)優(yōu)化TASK3:涂層選取和評估TASK4: rene150材料系統(tǒng)最終優(yōu)化TASK 5:部件試驗-葉片生產(chǎn)和評估TASK

18、6:發(fā)動機試驗-葉片生產(chǎn)TASK 7:發(fā)動機試驗5。TASK 8:試驗結果分析下圖給出整個項目的結構流程，圖TASK I渦輪葉片設計和分析ASK u-Rene150材料系統(tǒng)初步優(yōu)化初步設計分析-合金材,料改進(scale-up )和評估澆鑄、陶瓷芯選擇CF-50rene150計葉片可鑄性評估預先澆鑄試驗工具設計(仿真)Task IV最終的 Rene150工藝優(yōu)化TASK m 涂層的選擇和評估-CF-50所選涂層涂層評估涂層加工工藝工程圖紙準備工具獲取.最終設計澆鑄試驗試生產(chǎn)生產(chǎn)工藝TASK V渦輪葉片部件試驗制造和評估渦輪葉片生產(chǎn)部件試驗TASK VI發(fā)動機試驗葉片制造檢查TASK 皿發(fā)動機試

19、驗TASK 皿 試驗總結分析圖5 rene150定向結晶合金渦輪葉片開發(fā)路線圖3.0 TASKI-渦輪葉片設計和分析本節(jié)的目標是進行渦輪葉片的設計分析，為 rene150渦輪葉片能 夠成功通過工廠耐久性試車提供指南。初始設計分析使用項目啟動階段可用的rene150材料性能數(shù)據(jù)（附錄A）進行 初步設計分析，確定CF6-50發(fā)動機葉片抗溫度、載荷和應力水平。在CF6-50M發(fā)動機工作溫度和轉速條件下，進行CF6-50M發(fā)動 機葉片構型（當前設計以及將用于項目2的設計構型）的中徑溫度分 析。最小斷裂壽命，基于 葉片蠕變III計算機仿真分析，相比于使用 了相同邊界條件假設、帶冷卻孔的 CC rene8

20、0渦輪葉片的斷裂壽命， rene150葉片的斷裂壽命是rene80葉片斷裂壽命的4.2倍。仿真分析 包括薄壁效果、10晶粒取向因子、0.7倍的安全系數(shù)。Rene150葉片的低周疲勞壽命（LCF）表明，在相似的試驗條件 下且使用平均材料特性數(shù)據(jù)的前提下，rene150葉片的LCF壽命是 CC rene80葉片的16倍。此處壽命是指葉身前緣出現(xiàn)裂紋的循環(huán)次 數(shù)。初始分析表明，rene150可用于制造CF6-50發(fā)動機的一級渦輪葉 片。rene150 CF6-50 葉片設計本子節(jié)的目標是進行葉片氣冷結構更改研究，以確定其對葉片溫度、應力和壽命的影響，進而確定能夠通過發(fā)動機試驗所必須的渦輪 冷卻結構的

21、構型。由于rene150比rene80具有更高的耐溫特性，因此 可選擇將150和80葉片分別裝在同一臺發(fā)動機上進行試車，80葉片在常溫條件下運行，150葉片可在相對更高的溫度下運行，進而證明 rene150的優(yōu)勢。由于驗證了 150葉片比現(xiàn)有材料制造的葉片（如 80 葉片）具有更高的耐溫特性，因此可轉變?yōu)?50葉片能夠提高發(fā)動機 性能，延長發(fā)動機壽命或兩者同時增加。特別是，150葉片具有如下優(yōu)勢：發(fā)動機性能:由于具備更高的耐溫能力，因此在保證相同的使用 壽命的前提下，可以減少冷卻空氣，相應的就減少燃油消耗量。例如： 對CF-50發(fā)動機在固定載荷的前提下，使用150葉片后，其燃油消耗 量的改善情

22、況，如圖6。對于更先進的CF6-50可變載荷的商用發(fā)動 機，使用項目2的結果后，可將燃油消耗量降低1.45%。上述評估結 論，是基于NASA和GE的渦輪發(fā)動機低能源消耗設計項目的研究結 論。在正常設計應力水平和冷卻空氣流量率的條件下，在允許的更高渦輪進口溫度范圍內，提高溫度增加推力。圖6 CF6-50發(fā)動機使用rene150一級渦輪葉片后，對燃油消耗量的潛在改進發(fā)動機壽命:改進的材料特性，在正常的應力條件、渦輪進口溫 度和冷卻氣流量條件下，允許提高渦輪葉片的設計壽命。基于上述途徑，在工廠試車的條件下，與 80材料的渦輪葉片相 比，150材料高壓渦輪葉片的冷卻結構能夠使葉片平均溫度升高56 C(

23、100F)。實現(xiàn)方法是：通過去掉葉片進氣邊的一排冷卻孔，并且在葉片底部增加節(jié)流板，從而控制進入渦輪葉片的冷卻空氣量，如圖 1 所示。熱傳遞、應力和壽命分析表明，80葉片的平均溫度為953 C , 150葉片的平均溫度為 1005c。盡管150葉片的工作溫度比80葉片高出56 C,但是其應力斷裂 壽命幾乎是其2倍。表II中給出的LCF預測壽命表明，150葉片是 80葉片的10倍以上。Table II,計算得出的 CF6-50 (M34) HPT的低周疲勞壽命.LocationTemperature,o C(o F)Life,HoursccRene80Rene150ccRene80Rene150L

24、eading Edge10380 901)1098( 2008)406015,OOOTrailing Edge1064(1948)1092(1 997)7520100,000Pressure Face1061( 1942)1121( 2050)4440100,000Pressure Gill Hole868( 1595)893( 1639)6107,500Suction Gill Hole833(1532)881(1 617)3909,000Trailing-Edge Hole952( 1746)957( 1755)281060,000Cross over Hole77 4(1 425)797

25、( 1466)3703,500另外，為展示150葉片的抗高溫能力，葉片設計所選的冷卻結構其實是減少了冷卻氣體流量的。表III給出了 150葉片冷卻氣體具體的減少量。在項目2初期，M-90 rene80葉片已經(jīng)通過使用，因此以 80渦輪葉片的冷卻氣量為基準。在本項目開展的過程中， 80葉片已 經(jīng)進行更新優(yōu)化。相比于 M-90的rene80葉片而言，改進后的80葉 片具有更好的冷卻效率，冷卻氣流量減少0.47%W2c。M-34改進設計 方案可用rene150鑄件進行生產(chǎn)，相比于rene80材料的M-34,將獲 得56c的溫增，同時冷卻氣量比 M-34減少0.23% W4c。表III rene150

26、HPT減少的冷卻氣流量MaterialBLdeDesignBlade Cooling Air Requiretnenta （戈口2C）A Coaling Air胭？）RenS 80M-903.50Baseline80M-343.03-Q.47Mn 巨 150M-3&2.80-0.70150HPT葉片能夠證明其提高抗高溫能力，增加應力斷裂壽命、 LCF壽命，減少冷卻氣流量、降低燃油消耗量。采用輔助工具設計和發(fā)布葉片設計圖紙為獲得TASKIV、V、VI所述葉片生產(chǎn)中必要的鑄件，應準備 必要的工程繪圖設計模具。需使用這些設計模具進行初始鑄件試驗， 結果表明需對鑄造模具進行改進， 從而改進葉片的伸根區(qū)

27、域。伸根區(qū) 域是在葉片緣板下方，需增加厚度，從而減少澆鑄過程中產(chǎn)生裂紋。 在后續(xù)電火花加工過程中必須去除掉上述增加的材料，才能夠獲取所需的構型。對現(xiàn)有80葉片的圖紙進行修改，改變其冷卻結構，然后用 150材料進行加工。另外，需對葉片的精加工過程進行評審和改進，以便適用于150葉片。最終發(fā)布工程圖紙，以便指導150葉片的制造加工4.0 TASK U -對rene150材料系統(tǒng)的初步改進4.1合金成分優(yōu)化和評估本子節(jié)的目標是生產(chǎn)足夠的rene150合格材料，以滿足整個項目 的需要。附錄B給出了獲取rene150棒材的工藝規(guī)定。選擇 Allegheny Ludlum, New Hartford, N

28、ew York的特種材料部作為毛坯加工廠。將1.6Mg (3500lbm) (1600kg)的純銀在真空感應設備中熔化， 然后倒入熔化rene150的塔埸中，對塔埸進行清洗。然后將 rene150 熔化并制成樣本。30分鐘內進行光譜分析，判斷熔液的化學成分是 否在規(guī)定范圍內。然而，鈦、鉆、鉛元素的含量靠近技術要求的下限， 在澆鑄前，在rene150熔液中增加上述元素的含量，使其含量達到技 術要求的中間值。然后澆鑄rene150熔液，重新鑄造成直徑為70mm 的棒材。熔液(NO.7-11158)澆鑄成圖7所示的棒材后交付給GE。 共獲得棒材的凈重為1.387Mg (3058lnm) ( 1387

29、kg)。按照規(guī)定，應從第一個鑄錠、中間過程的鑄錠、最后一個鑄錠中 取樣進行化學成分分析，以判定鑄件的可接受性。表IV給出了特種材 料的材料分析評審標準。通過對比材料化學成分規(guī)范和GE對中間過 程鑄錠的材料成分分析，認為此材料是可接受的。熔液可鑄性評估。圖8給出的試驗裝置構型，為一根由待測合金 制作的空心管。該空心管采用定向結晶制造，空心管沿著氧化鋁芯收 縮，其合成應力(約2%)導致裂紋敏感合金產(chǎn)生晶界裂紋。此試驗建立的可鑄性等級分為 A （無裂紋）到F （晶界裂紋總數(shù)）級。Rene 的可鑄性為A級，如圖8所示。選擇回熔鑄錠30,中間過程的鑄錠作為評估件。直徑為 413mm 的鑄錠30,在GE的

30、DS鑄造設備上重新進行380mm/hr的定向結晶， 所用參數(shù)近似于GE RAM-DS設備。棒材進行縱向和橫向切斷，按如 下要求進行熱處理：Figure 九 R性病 150 kemelt Inguts Cjsl from But 7-1115a.1G1205* C (2200* F), 1/2 hrf helium cool+1080* C (1975 F)r 4 hr, helium cool*900 C (+1650 F), 16 hr, coo I to room temperature (RT)Table IV. Rene 150 Chemical Analysis, Weight Pe

31、rcentMo SpacerAlloy Charge, 1.11 cm (7/16 in) Diameter RodOuter Tube (AI2O3)Inner.如be (AI2O3)Slotted 2.54(1 in.) fromcmBottomMo SpacerTest ConfigurationRating:Alloy with PoorCasLabilityFElementsSpecification B5OTF171-KT)Vendor1s Certified Analysis Fro Retnelc IngotsGE Analyses, MiddleFirstMiddleLast

32、1211.50 - 12.5012.012.012.011.9611.925.75 - 6.255.875.875.865.825.755.30 - 5.705.435.405.41N.A.N.A.4.75 - 5.254.904.904.885.024.974.75 - 5.254.975.005.024.844.842.73 - 3.252.992.983.003.123.042.00 - 2.402.232.232.242.162.181.30 - 1.701.461.451.431.451.480.75 - 1.251.001.001.000.960.96C0.04 - 0.080.0

33、550.0520.050B0.01 - 0.020.0160.0160.016Mn0.10 Max0.100.100.10Si0.10 Max0.100.100.10s0.01 Max0.0020.0020.002p0.01 Max0.010.010.01Zr一一0一*7 PPQN6 ppmFigure 8. Rene 150 Castability Test.上述熱處理方法是rene150材料的標準熱處理制度，能夠很好的平衡 縱向和橫向特性。在1205c時，僅有少量的丫相回熔。研究表明， 熔液溫度超過1205c后，將會提高縱向強度，同時也就降低橫向強 度和延展性。試樣經(jīng)過熱處理后進行機加工和

34、試驗。縱向試樣的尺寸：4mm（直徑）M7.8mm （長度），橫向試樣的尺寸：3.2mm （直徑）M2.7mm （長度）。表V給出拉伸強度和應力斷裂數(shù)據(jù)。Rene150結果在附錄A中已 給出。在980c的一個試樣時，其拉伸延展性比預期要求低，其它試 樣的延展性均高于平均水平。在橫向試樣中，這種分布是不正常的。 其原因是各晶粒定向的可變性。鑄件的應力斷裂數(shù)據(jù)略低于平均水 平。然而，均在可接受范圍內。對于大多數(shù) CC合金而言，用于鑄件 -可接受試驗的-2。極限應是平均壽命的60%。對于鑄件7-11158的測 試結構表明，rene150為平均壽命的75%80%。此結果表明該鑄件滿 足本項目的要求。本節(jié)

35、提供的試樣試驗數(shù)據(jù)，可為 TASK V的葉片部件試驗設計 極限要求，以及提供葉片的對比數(shù)據(jù)，本子節(jié)還進行了 HCF試驗。 選取18件直徑為41.3mm的棒材進行HCF試驗。選取2號、32號、 62號鑄錠進行定向結晶，制備 6根試驗棒材，以代表第一批鑄件、 中間批鑄件和最后一批鑄件材料。1-63號中所有奇數(shù)號鑄錠均送往 ALBUQUERQUE ,大約有 680kg。對這批DS棒材按照所期望的方向加工成試樣，在試驗前進行 標 準的熱處理。HCF試驗的目標是確定產(chǎn)生107循環(huán)壽命的最小應力 與溫度、激勵模式和 A比率（交變應力/平均應力）的函數(shù)關系。為 了建立渦輪葉片設計及性能與 HCF能力的關系，

36、可使用以上數(shù)據(jù)構 建Goodman圖。表VI中給出HCF數(shù)據(jù)。在 口 1.0的A比率下建立 了 107循環(huán)點后，還需在0.5 A比率條件下進行多項試驗，以便改進 Goodman圖表的精確性。另外，還對rene150進行了 650c和A比率 為1.0以及其他更多的疲勞特性試驗。HCF數(shù)據(jù)以應力和循環(huán)壽命曲 線圖的形式在圖913中給出。該曲線建立了各種試驗條件下的107循環(huán)疲勞壽命。表即給出具體數(shù)值。圖1419為Goodman圖。為了進行對比，前期獲得的rene150和rene80的試驗數(shù)據(jù)也在這些圖標中 給出。從這些數(shù)據(jù)中可得出以下結論：當A比率趨近于 M寸，從軸向看：Rene 150的強度約等

37、于Rene 80 的強度。從橫向看：Rene 150的強度略小于Rene 80的強度。當A比率較低時，從縱向看：Rene 150的強度大于Rene 80的強 度。從橫向看：Rene 150的強度至少等同于 Rene 80的強度。與之前獲取的疲勞數(shù)據(jù)相比，可以看出Rene 150對最初的DS棒材尺寸和熱加工工藝的敏感度。在本研究中所用到的棒材尺寸和熱加工工藝均采用了與 CF6-50渦輪葉片相似的結構及方法；因 止匕，這些數(shù)據(jù)可被認為是實際葉片的特性。對HCF試樣的微觀組織分析表明很多失效源于內部的孔隙。剩余三個樣本的過早失效源于未發(fā)現(xiàn)表面下的孔隙這些測試的代表點包含在圖9到圖17中；在構造實際的

38、曲線時，這些點則不被采用模子/芯體的選擇在本項目中所提到的陶瓷芯體，是基于在鑄造Rene 150合金葉片 時的可加工性和穩(wěn)定性來選取的。 所選取模具材料的為RAM-DS。該 模具具備足夠的耐溫能力。通過在鑄造Rene 150合金葉片時過程中對樣品特性的測試，確定模子和陶瓷芯體的有效性。 隨后是對試樣進 行金相特性分析以確定陶瓷/金屬是否發(fā)生反應。陶瓷芯體的選擇在實際的DS鑄造條件下，將對與鑄造 Rene 150合金葉片相關的 4種陶瓷芯體進行評估。這四種陶瓷芯體材料分別是：Cycles to Failure由 目 QK d i圖9 Rene 150的高周疲勞特性軸向+彎曲度 5Open Sym

39、bols: LoneitudinaiSolid Symbols： TranaverseArro* Indicates Hun-Out (No Failure)1306500 C (12004 F)C fldg巾 F)( aro c(1600s f) ( MS C(1 800# F J7060504013dH 餐qli1sesevkeso6 1*圖10 Rene 150的高周疲勞特性軸向+彎曲度 A=1.00dwoXI0 2O 7&0Q C 00o o4o30507 1圖11 Rene 150的高周疲勞特性軸向+軸向 A=Muxmlun scrmMF k*l0c(M00aV)j Open Sym

40、bols:LongitudinalcciscoaF) Sot id SyrmbolsTTpanaverseV9a0c(1800*n)Arrow IndieatflaRun-Out (Nd Failuroi9001圖12 Rene 150的高周疲勞特性軸向+軸向 A=0.95O 760 C (14000 F) A + AArrow Indicates Hun-Oat (No Failure) 8700 C (1600 F) A + A由人 。 o 7 6 5 4Eg hcnE 心 ha 田-HneIHEW圖12 Rene 150的高周疲勞特性 A=0.5表格VII107循環(huán)的耐久性TestT e

41、rn pexat ur e,SpeunnMaxioiuin StresMPa (k$i) C C F)CLrtiCtionHade表示估算值A-RatioRene L50Ren百 80650 (1200)Lcngi CudinalA + B1.0793 (113)607 (88)760 (1400) ILongitudinalA + B.407 (59)414 (60)760 (1400)TranaverseA * B372 (54)414 C60)76C (L400)LongitudinalA + BL0703 (102)MB (%)760 (1400)TransverseA + B1.06

42、48 (94)649 (%)760 (1400)LongiCudinalA + A317 (46)352 (51)*760 (IMO)LongicudinalA * A0.5655 (95)662 (9$)”760 (1400)LongitudinalA + A0.956Gl (93)572 (B3)*760 (140Q)TrnaverseA + AO.95579 (84)572 (S3)*870 1600)LongitudinalA + B324 (47)331 (48)870 (1600)TransverseA + B190 (t2)331 (46)870 (1600)Longitudin

43、alA + B1.0683 (99)496 (72S70 (1600)TtJiniveratA + B1.0538 (78)496 (72)870 (160。)LongitudinalA + AaW (50)279 (40.5)*370 (1600)LongitudinAlA + A0,5600 187)434 (63)*870 1600)LongitudiniailA + A0.95593 (fi6)421 (61)*070 (1600)Tr AdverseA * A0,95496 (72)421 (61)*980 (1800)LogitudinAlA + B0255 (37)234 (34

44、)9恥i (1800)TransverseA + Bat221 (JZ)234 (M)930 (1800)LongitudinalB0*5379 (55)193 (28)9B0 USOQ)LongitudinalA + BKO414 (60)243 (36)980 (1800)TransverseA + Bl0359 (52)248 (36)980 (1800)LongicudinalA * A176 (4Q)193 (28)*98。 （iaoo）LcnitudinaLA + A0Z5 1400 (56)214 (31)*980 (1800)TransverseA + A0,95221 (32

45、)214 (31)圖14古德曼曲線，760C,軸向+彎曲度，107個循環(huán)制rrKean Strejia, NPa RE看 15fl. Scigi七udluaL. l.” g (1/i，仲+ Diajneter Bars0 An* 150. Longitudinal* 1.1J 6 (L-57fl in J Di.matct BtQ Rtn 150. TrtnuvTM 4.13 en (1-5/8 trs.) &laqttT Bri -圖15古德曼曲線，870C,軸向+彎曲度，107個循環(huán)11II11 Rene 15% o Ren H0t -口 Kenc ISO,Long1Cud1B 1+Lon

46、glEudliUil,，TraMverse b 4.1327 ca (1/2 IP J 用L3 ca n，5/8co (1-5/B 如/DI.aaeter BrsDljMter BuraHiofirtHT Sara _ _情71 注1KB150口州3D10圖16古德曼曲線，980C,軸向+彎曲度，107個循環(huán)600204080100300400500 BOOMoan Stress. MPaMean Stress t ksiAlferntoLlng strnuHF k由一 eD4020o o o ono 4. 3 2 n&K GaW.14m 2UT4dual800圖17古德曼曲線，760C,軸向

47、+軸向，107個循環(huán)圖18古德曼曲線，870C,軸向+軸向，107個循環(huán)圖19古德曼曲線，980C,軸向+軸向，107個循環(huán)SR-605、SR-731Sherw00dt火材料部DS-1 DS-4Misco陶瓷產(chǎn)品部陶瓷芯體構型包含兩種：早期的M90陶瓷芯體構型和后期引進的M34陶瓷芯體構型；這些構型將被用在任務IV, V和VI中的葉片上。用一個表面為氧化鋁和基體為莫來石的模子做出 9個不同陶瓷芯 體的CF6-50葉片鑄件。在指定的溫度條件下，只有用SR-731鑄造的陶 瓷芯體能夠滿足機械強度要求。如果鑄件的強度不夠將引起陶瓷芯體 的應變和壁厚難以控制。圖20顯示的是用DS-1鑄造的陶瓷芯體葉身

48、截 面和用SR-731鑄造的陶瓷芯體葉身截面的對比。 芯體與Rene 15哈金 之間的反應可以忽略不計。圖21表示的是一個典型的金屬/陶瓷芯體的分界面。金屬滲透是不規(guī)則的且滲透深度大約只有5.1區(qū)而右。一般情況下在分界面會出 現(xiàn)一層薄氧化層。如圖所示，沒有明顯的合金消耗。在金屬/陶瓷芯體的分界面上，合金的微觀結構是一致的。根據(jù)以上分析，SR-731被選作該項目的陶瓷芯體材料。模子的選擇測試包含四種不同的模子/涂層組合。莫來石/氧化鋁涂層莫來石用告石涂層 莫來石二氧化硅涂層氧化鋁/氧化鋁涂層用M34芯體構型和SR-731芯體材料生產(chǎn)出11件CF6-50葉片鑄件通過對所有鑄件進行外觀檢查表明：二氧

49、化硅涂層和基體/涂層都是氧化鋁是不可取的。二氧化硅涂層在鑄造溫度下會出現(xiàn)凹陷， 對鑄件 表面產(chǎn)生不利影響。在插入鑄造爐中時，氧化鋁基體會由于其本身抗 熱沖擊性差的特性而出現(xiàn)裂紋。用莫來石/鉆石涂層和莫來石/二氧化硅涂層制成的鑄件表現(xiàn)出優(yōu) 良的表面特性。通過對所有模子 忠體的組合的金相分析表明在 Rene 150合金和陶瓷之間有可能會發(fā)生反應。Dfi1 fPoor HallGgtitrol) m 1 587j5 UmI一 ISR-731 (Acceptnble Wall ThickTipps： Control) .圖20用兩種備選芯材做成的葉身其橫斷面的內壁厚度控制No 4 37634. Etc

50、hfd50-8 4畫圖21 CF6-50渦輪葉片中Rene 150合金和SR-731陶瓷芯體的交界對所有模子材料的評估結果是：鑄件表面均相對平滑，很少或幾 乎不與Rene 15哈金發(fā)生反應。從金屬/模子反應的角度來看：所有的 基體和涂層材料的組合都是可以接受的。根據(jù)以上結果，并主要從機械強度方面考慮， SR-731芯體材料、 鉆石、氧化鋁涂層和莫來石基體被選中并作進一步的研究。 可以看出， Rene 150W很多模子和芯體材料具備化學兼容性。初步鑄造試驗用SR-731芯體材料、氧化鋁涂層、莫來石基體系統(tǒng)，對鑄造過程 的進行細化研究。初始過程參數(shù)要被充分定義，以確保運用早期的 CF6-50 M9

51、0設計工具可以生產(chǎn)出符合要求的 Rene 15鑄件。這套工具 的設計最初被用作普通鑄造，經(jīng)過改進后被用作定向凝固。第一批模子是用新的蠟模和初始過程參數(shù)，并用早期的工具生產(chǎn) 出可接受的鑄件。對蠟模進行機加工是為了使生產(chǎn)出鑄造葉片的生根 區(qū)域內達到要求的規(guī)格。共生產(chǎn)了 32件Rene 150 CF6-50 M34十片。 所有葉片在生根區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的裂紋。對RAM-DS工具中的溫 度和時間等過程變量進行修訂仍不能消除裂紋。為了做進一步的檢查，又鑄造了 9件CF6-50, M34葉片以研究 RAM-DS過程。9件葉片均出現(xiàn)與Rene 150十片相似的裂紋。同時， 還鑄造了 4件GE23葉片并采用

52、與Rene 1501f同的方式在高溫下檢測其 鑄造性能，用相同的評估程序下未發(fā)現(xiàn)裂紋。因此，導致裂紋的主要原因是：在冷卻過程中模子對葉片生根區(qū)22所示域金屬的約束造成的。大多數(shù)變形均與晶界裂紋有關，如圖 有必要對工具或模子進行改進。共選取了兩種方法作進一步的評估以消除裂紋。第一種方法是對 陶瓷模子進行改進：將尼龍墊密封在模子里并在隨后的燒制過程中將 其氣化。最終制成的模子會在生根區(qū)域形成空腔。這樣做的預期結果 是會改變模子殼體的強度和熱傳導性，從而減少裂紋的產(chǎn)生。Na. 8-1 BAO, Ktcaird5O& |!Tf圖22 CF6-50的Rene 150鑄造葉片生根區(qū)域的橫截面顯示出大量的變

53、形和晶界裂紋總共鑄造了 21種該種結構的模子。這次嘗試的結果是鼓舞人心的:只有不到20%的葉片通過熒光檢查發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生。為了使結果更加 確定并證明這一修改的有效性，接下來又生產(chǎn)了 30件葉片。但結果令 人失望，超過75%的鑄件出現(xiàn)裂紋。顯而易見，要形成可行性鑄造過 程，還需要對鑄造過程做大量的適應性改進。第二種途徑是通過增大生根部位金屬厚度的方法對葉片的蠟模進 行改進。這種方法預期的結果是通過增大該部位的承載強度以減少或 消除產(chǎn)生裂紋的趨勢。所生產(chǎn)出的蠟模襯墊允許葉片蠟模按下列結構 進行生產(chǎn)：.凈成型葉身和生根。.在生根兩側的袋狀區(qū)域，凈成型葉身有 0.81 mm厚的襯墊。.在生根兩側的袋狀

54、區(qū)域，凈成型葉身有 3.18 mm厚的襯墊。上面所提到的襯墊的位置如圖23所示。所鑄造的試制葉片涉及每 一個結構。為適應所增加的0.81 mm或3.18 mm厚的襯墊所引起的模子 橫截面的增加，橫截面的動態(tài)冷淬、靜態(tài)冷淬和輻射擋板都要做適應 性增強。由于葉片結構改變會帶來葉片體積的增加，這就需要在熔化 杯中補充加料，從而導致熔爐的高度需增加1.27 cm。鑄造這些試制件的結果是：增加0.81 mm厚襯墊的模子出現(xiàn)生根 裂紋，但增加3.18 mm厚襯墊的模子沒有出現(xiàn)生根裂紋。為了使試驗 結果更加確信，又生產(chǎn)了 27件鑄件，這些鑄件的模子均在生根兩側增 加3.18 mm厚的襯墊。頭7個鑄造件采用不同的熔爐參數(shù)進行鑄造， 為 的是建立該結構的鑄造過程。接下來的20件采用頭7件固化下來的熔 爐參數(shù)進行鑄造。通過熒光滲透檢查，這 20件均未出現(xiàn)裂紋?；谝陨辖Y果，該方法被選作用于該項目剩余鑄造件的生產(chǎn)，一個初步的鑄造方案就此形成。葉片生根上的附加材料是在隨后的葉片最終加工即恢復葉片到 預想結構的操作中，用萊爾精密工具電解加工去除（俄亥俄州辛辛那 提市）。圖23JDirec t ionallySolidifiedRene 150Pad Locat