定向结晶时陶瓷与熔融合金的相互作用

本文研究了定向结晶时电熔刚玉陶瓷壳型与熔融镍基高温合金的相互作用。发现壳型内层的松散和着色,以及铸件表层损坏是由于合金中含碳会使熔融金属与刚玉陶瓷强烈作用,使陶瓷中含铬量由0.2％增至～1.2％,同时使铸件表面层贫铬。预先使电熔刚五吸收一定量的铬,可以减少和防止熔融合金中的铬转入陶瓷中。     

精铸耐火材料——上店坩土的研究

一、概述精铸型壳的性能是影响铸件质量的主要因素之一。目前国内生产精铸叶片所用型壳一般以硅酸乙酯为粘结剂,以电熔刚玉作耐火材料制作而成。但是刚玉价格昂贵,供不应求。而且由于其中Na_2O含量较高,在1050～1100℃的高温下开始与酸性粘结剂硅酸乙酯中的SiO_2起化学作用,形成Na_2O—Al_2O3—SiO_2三元低熔点液态物质,使型壳高温强度急剧下降,以致经受不住外界压力(液态金属的动、静压力和造型砂的压力)而变形,使叶片增厚或减薄,满足不了无余量叶片铸造的要求。     

定向结晶铸件用电熔刚玉陶瓷壳型

在950～1050℃焙烧的电熔刚玉壳型含有6～8％游离二氧化硅。用此种壳型获得的铸件在表面上有一层难以清除的金属氧化物层。作者采用在面层浆料中加入3％添加剂并在高温(1350℃)下焙烧壳型,可保证在陶瓷中直接形成莫来石。结果,壳型中游离SiO_2含量由7％降至1.4％,相互作用区宽度由200～300μm降低至<20μm。在铸件表面上无金属氧化物层。     

精铸叶片表面蚁点与龟裂的消除

1.条件 0273整流叶片精铸特点是形状较简单,尺寸不大。最长不到90mm,壁厚不小于3mm。所用合金为Crl7Ni2,中频熔炼。每炉浇注合格率为40％～60％。型壳材料采用硅酸乙酯,刚玉砂涂料。刚玉砂不仅价格较贵,而且来源紧张,型壳强度稍低。 为提高型壳强度,降低成本,我们曾设想全部型壳采用铝矾土砂取代刚玉砂。经使用效果不太理想,浇注后的零件表面常存在下列问题:(1)表面出现大量的蚁点;(2)表面和R转接处常有大量的龟裂和细小裂纹。 2.蚁点 叶片在浇注脱壳后,表面出现不规则的一薄层颜色较深的氧化皮,似白蚁爬过一般。较严重的蚁点发白带银灰色,经吹砂后,常显出0.2～0.5mm深的缺陷,萤光检验多数不能通过。凡带蚁点的零件80％～90％报废。 3.龟裂     

DZ22B高温合金定向凝固叶片铸造缺陷的形成机理研究

采用SEM、EDS等分析手段研究了DZ22B镍基高温合金定向凝固涡轮叶片不同区域铸造缺陷的特点及其形成原因。结果表明,裂纹缺陷主要分布在叶身的中上部位,其形成机理主要归因于叶片在凝固过程中的共晶组织过多;而疏松缺陷分布在叶身和缘板部位,产生在枝晶间共晶组织附近。枝晶间距小补缩不足和反应生成的CO气体未及时排除是疏松形成的两大原因。     

定向凝固涡轮叶片高温低周疲劳的破坏特点

针对几何形状完全相同但材料不同的两种涡轮叶片,采用相同的试验方法进行高温低周疲劳试验,普通铸造K403合金叶片和定向凝固DZ22B合金叶片却在不同的部位破坏,K403合金叶片在试验考核的榫齿部位断裂,而DZ22B合金叶片的榫齿在叶身根部断裂前均未出现裂纹.为了解释上述试验结果,展开了两类叶片试验条件应力场的有限元分析和...     

熔模精铸壳型用预制粘结剂

近年来研制出一种熔模精铸壳型用新型预制粘结剂ΓС-20З,它是ЗТС-40硅酸乙酯的部分水解溶液。工业生产的ΓС-20З预制粘结剂曾在工厂条件下用于重要的不等轴和定向组织零件的铸造。曾用电熔刚玉微粉及蓝晶石硅线石精矿粉为基,每层壳型撒有粒状电熔刚玉的铸型,在真空中无支撑填料浇注高温合金。在所有情况下,新壳型的质量均优于ЗТС-40硅酸乙酯批生产工艺制造的壳型。     

陶瓷型芯用材料及其组织的形成机理

本研究的目的是寻找制造重要铸件的陶瓷型芯的成分和工艺。为保证陶瓷壳型最佳的使用性能,可使用综合粘结剂—耐热有机硅清漆及细弥散碳化硅。这时在焙烧过程中在电熔刚玉颗粒上形成高致密性的细纤维膜状粘结剂。使用结晶石英粉和碳酸钙粉作为粘结剂时,电熔刚玉颗粒被与其烧结的和自身间烧结的石英颗粒所粘结,石英颗粒又形成特殊的骨架而保证了材料强度。     

真空预氧化处理对热障涂层静态氧化行为的影响

利用超音速火焰喷涂技术在DZ40M合金表面制备了Ni Co Cr Al Y粘结层,采用等离子喷涂技术在粘结层表面制备了陶瓷面层,并对整体热障涂层进行了真空预氧化处理。通过高温静态氧化实验研究了真空预氧化对热障涂层的氧化行为的影响。结果表明:真空预处理可在MCr Al Y粘结层和陶瓷面层的界面处形成连续、致密的α-Al2O3层;在1050℃下氧化800h后,喷涂态涂层TGO中除α-Al2O3外,还生成了大量尖晶石氧化物,而预氧化涂层TGO则以α-Al2O3为主;预氧化处理有效抑制了涂层在高温氧化过程中尖晶石氧化物的形成,从而降低了整体氧化膜的生长速率。     

Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb-Si金属间化合物基超高温合金(Nb-Si基合金)具有高熔点、低密度和良好的加工性能,目标使用温度达到1 200~1 400℃,成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。主要介绍了北京航空航天大学在Nb-Si金属间化合物基超高温合金领域的研究成果,包括合金化、加工制备技术(电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金)、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等。发展了Y2O3坩埚真空感应熔炼和Y2O3模壳精密成型顺序凝固技术,成功制备了涡轮叶片模拟件;发展了Al2O3/Y2O3、Y2O3/Y2O3陶瓷坩埚/模壳液态金属冷却定向凝固技术,实现了Nb-Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配;发展了热防护涂层材料体系和制备技术,在合金基体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展。     

DD6单晶高温合金与陶瓷型壳的界面反应

采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱等分析手段研究了DD6单晶合金与陶瓷型壳的界面反应。结果表明:DD6高温合金与陶瓷型壳的界面反应产物主要是Al2O3和Hf O2,同时伴随着少量Ta元素的析出;界面反应层的厚度为5~6μm,反应产物在合金/型壳界面的富集,能够抑制氧化反应的进一步进行;高温下DD6合金与陶瓷型壳润湿角为145~150°,降低型壳内表面的气孔率能够减少毛细作用的产生,从而有效抑制界面反应的产生。     

Y-La添加对镍基单晶高温合金界面反应及循环氧化行为的影响

在第二代镍基单晶高温合金中复合添加Y-La,经定向凝固后得到5.26×10–4%(质量分数)Y+6.05×10–4%La和47.64×10–4%Y+69.09×10–4%La的两种Y-La含量合金铸件,研究Y-La对合金定向凝固过程中合金熔体与Al2O3基陶瓷间的界面反应行为以及合金在1100℃下循环氧化时抗氧化性能的影响。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪等研究合金熔体与陶瓷材料间的界面组织形貌及界面反应产物成分以及循环氧化后合金表面氧化物的组织形貌、元素组成和相关物相。结果表明:Y-La含量增加会促进合金熔体与陶瓷间的界面反应,使得界面反应层更厚,更复杂;反应产物主要是含Y、La的氧化物;Y-La添加明显提高了合金的抗氧化性能,减少合金表面氧化膜的剥落;但Y-La过量会恶化合金的抗氧化性能,加快合金的氧化增重速率;合金表面氧化膜剥落痕迹明显,孔洞较多且内氧化严重。     

高Cr铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高Cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的种类。结果表明:高Cr铸造镍基高温合金K4648与铝基型芯不易发生反应,而与硅基陶瓷型芯发生剧烈的界面反应,反应产生金属瘤状凸起物,造成铸件内腔破坏。此外,白色的硅基型芯内部变成黑色,黑色反应区内含有一定量的Cr,Al,Ti元素。在反应的中、后期型芯黑色反应区内还存在着灰色区,该区的Cr,Al,Ti含量远高于黑色反应区。高Cr铸造镍基高温合金K4648合金与硅基陶瓷型芯反应分为:(1)富Cr,Al,Ti熔体向型芯内的渗入阶段;(2)富Cr,Al,Ti熔体与陶瓷型芯SiO2基体的反应;(3)富Cr,Al,Ti的熔体与型芯中Zr-SiO4颗粒反应三个阶段。反应过程中型芯存在局部液化现象。K4648合金/硅基陶瓷型界面反应产物主要为层状或树枝状Al2O3,块状Cr3Si金属间化合物、ZrO2,富Cr,Zr,Al,Ti的复合氧化物、共晶形态的富Cr,Si,Al,Ti的复合氧化物、块状或树枝状的富Ti,Al,Zr,Cr复合氧化物。反应产物中的Cr,Al,Ti元素来自合金熔体而Zr,Si,O来自陶瓷型芯。     

精铸叶片表面针眼的消除

1.概述 一级导向精铸叶片,材料为镍基高温合金 熔炼设备为25kg真空感应炉。型壳材料1～3层为刚玉粉,挂砂为60~#～46~#刚玉砂;4～7层为铝矾土粉,挂砂为36~#、20~#铝矾土砂。叶片结构较复杂,壁厚差较大。较厚部分大于5mm,较薄部分小于1mm。较薄部分弧面较大,两端带槽,排气边缘带有16个小孔。零件自投产以来,浇注后叶片表面反复出现针眼已两个时期。第一个时期为1981年3～6月,第二个时期为1989年4～7月。每出现针眼维持时间长达数月,零件合格率很低,通常不到30％,经济损失严重。 2.针眼的表现形式 1981年3～6月间,在每次浇注脱壳后的叶片表面常布满可宏观见到大量浅银灰色针眼。1989年4～7月,在每次浇注脱壳后都可宏观见到叶片表面出现大量浅红色放射状针眼。凡有针眼的叶片经吹砂腐蚀后,有类似铝锅被酸腐蚀样的小眼,星罗棋布,数量较多,叶背比叶面更多。少数叶片表面较严重的针眼常使整个叶面显出铁红色放光的迹象。针眼深约0.2～0.5mm,直径在0.05～0.1mm。铁红色放光的针眼周围,经吹砂腐蚀表面常呈不规则状态,深度在0.02～O.03mm左右。     

定向凝固工艺对DZ466高温合金显微组织的影响

研究凝固工艺(抽拉速率、模壳保温温度)对DZ466合金铸态组织的影响。结果表明:定向凝固过程中,随着抽拉速率的增加或型壳温度的升高,一次枝晶间距逐渐减小,γ′相尺寸减小,碳化物尺寸减小;随着抽拉的进行,散热效率下降,一次枝晶间距增大,γ′相尺寸增大;在1520℃/1530℃的壳温下,以8 mm/min的速率抽拉,可以获得细小的枝晶组织和γ′相组织,有利于提高合金的性能。     

TiAl合金表面激光重熔Al_2O_3-13wt%TiO_2复合陶瓷涂层组织结构

采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在TiAl合金表面制备了Al2O3-13wt%TiO2复合陶瓷涂层.为了减少重熔层裂纹等缺陷,采用较低的激光功率和能最密度进行重熔.用扫描电镜(SEM),能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层形貌、微观结构和相组成.结果表明,经过激光重熔处理后,陶瓷涂层颗粒细化,片层状组织得以消失,致密性提高,获得了基本没有裂纹等缺陷的重熔层;激光重熔亚稳相γ-Al2O3转变为稳定相α-Al2O3;由于陶瓷材料导热系数较低的影响,激光重熔时无法使整个陶瓷层实现重熔,重熔后的陶瓷涂层形成了晶粒细小的等轴品重熔区、烧结区以及片层状残余等离子喷涂区.     

DZ125合金真空电弧镀沉积复合涂层技术

采用真空电弧镀技术(arc ion plating,AIP)在DZ125定向高温合金基体上制备60μm沉积-扩散型复合涂层(NiCrAlYSi+AlYSi)。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析涂层的组织及结构,涂层外层形成大量的β-NiAl相,涂层中Al浓度自外向内逐渐降低,形成具有浓度梯度的复合涂层,有利于高温下涂层表面形成致密的Al2O3保护膜,提高表面保护膜的自愈能力。对沉积-扩散型复合涂层的试样进行1150℃抗氧化实验和900℃抗热腐蚀等实验,评价其抗氧化、抗腐蚀性能,对涂层氧化速率及腐蚀速率进行表征。结果表明:复合涂层明显改善了合金的抗高温氧化性能,承温能力明显提高,寿命延长。     

编者的话

我们非常高兴能在苏联航空材料研究院单晶叶片技术代表团访华之际,将这本增刊特集奉献在读者的面前。 1991年5月28日至6月11日,中国北京航空材料研究所单晶叶片技术代表团访问了苏联航空材料研究院,开展了科研成果交流和技术合作,本刊主编也参加了这次活动。访问期间,中国专家作了铸造高温合金发展,精铸模料、型芯和壳型工艺,定向和单晶叶片技术等专题报告,并参观考察了苏联单晶叶片铸造设备和工艺,铸造基地,陶瓷材     

镍基高温合金疲劳-蠕变寿命预测的临界面损伤方法

采用临界面损伤方法并耦合疲劳-蠕变寿命模型,通过适当的技术改进,分别对某型航空发动机650℃条件下涡轮盘用材料ZSGH4169高温合金和980℃条件下涡轮转子叶片用材料DZ125定向凝固高温合金的疲劳-蠕变寿命进行预测,并分别比较以W_(alls),C_(cb),S_(wt),G_(lk),和Fin为参数的五种寿命模型的预测精度。算例的计算结果表明:对于ZSGH4169高温合金,以Walls临界损伤平面为参数的寿命模型预测效果较好,预测的结果与实验值相比基本落在±3倍分散带以内;而对于DZ125高温合金而言,以G_(lk)临界损伤平面为参数的寿命模型预测效果较好,预测的结果与实验值相比基本落在±2.5倍分散带以内。     

高温合金芯撑在熔模精铸空心叶片上的应用

本文结合我公司在研制X发动机第一级整流空心叶片工作中,为防止在型壳的焙烧及合金浇注过程中陶瓷型芯变形、断裂,而采用高温合金芯撑的试验的实践,阐述了采用金属芯撑的目的、作用;金属芯撑的材料、直径、形式的选择;采用金属芯撑的工艺及其质量控制.试验收到了良好的效果,获得了采用高温合金芯撑浇注空心叶片的经验,迈出了我国在熔模精铸空心叶片上应用高温合金芯撑的第一步.