验,每个周期为3分钟,加160秒,卸荷20秒,结果得出:当材料的持久延伸率>7%时,不存在缺口敏感性,在使用过程中便不致发生桦槽裂纹。 综合分析涡轮盘的工作条件,可以归纳出来一种比较理想的涡轮盘材料,应该具备下列条件:
1.在室温到使用温度范围(650一700C)内要具有较高的屈服强度,这是设计涡轮盘最主要的指标;
2.有较高的抗疲劳能力,特别是大应力低周疲劳,这是决定涡轮盘寿命的关键指标;
3.有较高的断裂韧性,因为材料不可能没有缺陷,设计和制造过程中不可能没有应力集中,使用过程中也将不断产生微裂纹,断裂韧性便是衡量这种裂纹不发展成为脆性断裂的一个指标,这对很高强度的材料来说是十分重要的;
4.在使用温下要有足够的持久强度和抗蠕变的能力,要有一定的持久塑性(如5一10%),在工作温度和应力范围内要尽量避免缺口敏感性; 5.有较好的组织稳定性,在长期使用条件下,保证强度不显著降低,脆性不显著增加夕
6.有良好的工艺性能(如冶炼、热成型和切削性能等);
7.有较高的导热率、低膨胀系数和高弹性模量,以减小热应力,并保证结构稳定性;
8.有较低的密度,以减小高速旋转下的离心力;
9.有一定的抗氧化、抗海洋大气和含硫燃气腐蚀(即抗热腐蚀)的能力,以保证长期使用;
10.要考虑资源条件,注意成本。
二、涡轮盘材料的类型及提高强度的途径
随着涡轮工作温度的提高和使用寿命的不断延长,涡轮盘从马氏体不锈钢及固溶强化与温加工强化的奥氏体不锈钢,发展到以中间相强化的铁基和镍基高温合金。表2列举了一些盘材合金的例子。
2.1 12铬型马氏体不锈钢
12铬型马氏体不锈钢是最先采用的一类涡轮盘材料,其特点是强度高、刚度大、热导率低和膨胀系数小,所以长期被广泛采用,至今仍然是在50沙C以下工作的主要盘材。
这类钢除含12%左右铬以外,一般加入妮、钒、钨、锢等合金元素,以增加固溶体强度,细化晶粒,并改善碳化物的类型,从而增强抗蠕变能力和抗回火能力,提高高温稳定性。12铬钢在回火过程中,形成细小共格的Cr厂,产生二次硬化,但回火温度如超过550C时,这种共格碳化物转变为非共格的Cr了C3,强度下降。加入难熔金属可使C:ZC更加稳定,即使发生了转化,也是形成较为稳定的M23C。邝〕,其中以锭的作用最为显著,所以H46,H53及S/SAV等钢中均含有一定量的妮。因此,在使用12铬钢过程中,必须避免超温,否则出现过回火现象,性能显著变坏,这一点和目前的奥氏体型高温合金很不相同。
2.2温加工强化的奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢比马氏体不锈钢的高
温强度好,但是屈服强度却很低,不能满足涡轮盘设计的要求,必须设法提高屈服强度。利用这种钢的冷加工硬化系数较高,采用冷变形提高强度是一个有效途径。但是,这种冷加工结构在高温下很不稳定,因
而采用了温加工,使其在使用温度以上进行变形。这样,一方面提高了合金的强度,又保持着在使用温度下的组织稳定性。
这类钢如16一25一(3395H6),3H434,G18B,19一gDL等,均加铂、钨、妮等强化,并用温加工处理。即合金经110一1250“C固溶处理后,再在低于再结晶温度如一50C,也就是650一了60“C进行加工变形,变形量有8一30%〔9〕,然后在温加工温度以下约50C退火消除应力,机械加工成形即可使用。但是,使用温度只能在温加工温度以下,否则性能急剧下降,同时工艺复杂,需要大型锻压设备。早期苏联发动机P瓜一5和P口一300用3H4涎合金作涡轮盘便是如此。后来改用碳化物强化的3H481代替制作BK一9发动机一、二级涡轮盘,生产成本也随之下降。
2.3金属间化合物强化的奥氏体合金采用形变强化的合金在高温下
不够稳定,第二个提高强度的途径是沉淀强化。首先是碳化物强化,如3H481和许多沉淀硬化不锈钢,但是碳化物在高温下的稳定性也是较差的,容易聚集长大而失效,所以现代盘材都是利用更稳定的中间化合物强化相,如r’,r’’等。从五十年代初的A一286到六十年代中末期的Astrl叮和Ren95,都采用这种强化相,这种材料在现代涡轮盘合金中占有最主导的地位。
用中间相强化的涡轮盘材料有镍基和铁基合金两种,如表2。铁基合金从资源角度出发,有较大的优越性,而且中温强度较高,成型容易(因高温变形阻力小),是用作涡轮盘的良好材料,但是这类合金与镍基合金相比,高温稳定性较差,使用温度也较低,所以,从目前世界许多类型的
发动机来看,两类合金都在使用,只是涡轮温度高的多偏于用镍基高温合金。
为了进一步发挥现有合金的作用及寻找新的合金,仅就提高现代铁基及镍基合金的强度的途径概略讨论如下:
(1)固溶强化:合金元素溶解在基体中,一般都产生一定的强化效应,主要是通过下述几种途径:
1． 由于合金元素与基体元素原子大小不同,电子结构不同,造成固溶体中点阵畸变,这样在高温下减小了扩散速率,在常温下阻碍了滑移的产生,因而原子大小差别愈大,畸变愈显著,强化效应也愈大。对镍或铁和镍的固溶体来说,元素的强化作用依下列顺序而增加,也就是后面的元素的强化效果比前面的元素要大:镍、钻、铁、铬、钒、铝、钦、铂、妮、钮〔20,11〕。
2．合金元素在固溶体中并不是一种理想分布状态,往往有偏聚现象,形成所谓短程有序化Q2,13〕,有入叫它“K状态”〔14〕,它们都可使合金产生强化作用。
3． 我们在谈到强化时,都接受这样一个概念,就是金属的瞬时形变主要是通过位错的运动。位错是金属中原子排列“失误”而引起的线型缺陷。在面心立方结构的高温合金中,加入某种元素以后,位错可改变它们的形态,在密排面(111)上扩展开来,成为所谓堆垛层错,就是在一定范围内,原子排列不正常了。层错的宽窄和出现的多寡,与层错能的高低有关,层错能低的,形成层错就容易,层错出现的几率也高。这种扩展了的位错,运动十分不便,必须收缩为一个全位错才行〔15,16〕,这样
就要加以更大的外力,表现为强度的提高。所以合金化时,要考虑加入使层错能降低的元素,如镍基合金中加入钻,便起到这个作用〔17〕,因而,许多镍基合金都含有一定量的钻。
4．一种元素可以改变另一种合金元素在固溶体中的溶解度,如铂和钨可以降低铝和钦在镍基合金中的溶解度,因而使沉淀相的析出量增加,提高合金的强度。同时,这些元素对固溶体和沉淀相都有稳定作用,可以提高合金的使用温度,所以近年来发展的高温高强度镍基合金含钨量有的高达20%以上〔18〕。在盘材合金中加铝的比较多,因钥比钨轻,更重要的是工作温度不太高,不需要加钨,但铂比钨在合金中容易促进脆性相的形成。
为了更有效地利用合金元素的固溶强化,一般多采用多元少量合金元素。这样可以形成多种化学键,提高晶体点阵的畸变程度,更高地提高合金化程度〔i卜21〕。
(2)沉淀强化:合金强度的提高在于位错运动的受阻,前述固溶强化仅是其一用浅显的概念来说,就是一些异种原子加入基体后,造成原子排列的不整齐,或产生某种类型原子的偏聚,而阻碍了位错或其它缺陷的运动而提高了强度。但是,原子这样大的质点有时却显得太小,于是设法引进一些更大的颗粒,使其起到更大的阻拦作用。这种质点如果是从基体本身分离出来的,叫沉淀强化,一般要经过热处理来实现。如果是从外面加入的,叫弥散强化。在高温合金中这两种强化方法都有,但当前的涡轮盘合金主要是前者。
铝和钦在镍或铁镍基体中的溶解度是有限的,如果超过了这个限量,就