高溫合金在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用新材料前沿(GH3039高溫合金焊接標(biāo)準(zhǔn))
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1、高溫合金在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用新材料前沿
高溫合金在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用新材料前沿
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。
高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。
目前,在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。
在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%60%。
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上,高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件;此外,還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
導(dǎo)向葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一,但由于它是靜止的,所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。
通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過(guò)燃引起的燒傷,會(huì)使導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。
根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件,要求材料要具有足夠的持久強(qiáng)度及良好的熱疲勞性能和較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。
我國(guó)的粉末高溫合金的研究起步于20世紀(jì)70年代后期,在后續(xù)的發(fā)展過(guò)程中,根據(jù)國(guó)家型號(hào)需求,陸續(xù)開(kāi)展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制,其中FGH95是目前強(qiáng)度最高的粉末高溫合金,最高使用溫度達(dá)650℃,主要用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤擋板以及直升機(jī)用渦輪盤。
渦輪葉片用材最初普遍采用變形高溫合金,但隨著材料研制技術(shù)和加工工藝的發(fā)展,鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。
美國(guó)從20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片,前蘇聯(lián)也在60年代中期開(kāi)始應(yīng)用鑄造渦輪葉片,英國(guó)則在70年代初采用了鑄造渦輪葉片。
我國(guó)的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世紀(jì)80年代初率先開(kāi)始研究的,并成功研制出我國(guó)第一代單晶高溫合金DD4。
90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6,并廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。
此外,我國(guó)的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的DD9與DD10,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD90。
第四代單晶高溫合金是由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD22。
第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。
GH3039高溫合金焊接標(biāo)準(zhǔn)
高溫合金的焊接性是指在一定焊接工藝條件下,對(duì)裂紋敏感性、接頭微觀組織均勻性、接頭力學(xué)性能和工藝措施復(fù)雜程度的綜合評(píng)價(jià)。
焊接性是選擇高溫合金的科學(xué)依據(jù)之一,也是焊接件設(shè)計(jì)和焊接工藝制定的重要依據(jù)。
a.沉淀強(qiáng)化合金,其中溶解度有限的元素與Ni或Ta反應(yīng),容易形成共晶Ni。
在晶界處;特別是高鎳合金對(duì)雜質(zhì)(磷、硫、鉛、錫、鉍、鈣等)更敏感。
).同時(shí),高溫合金容易形成定向性強(qiáng)的單相奧氏體柱狀晶,促進(jìn)雜質(zhì)偏析。
c.在合金體系中,高溫合金的凝固溫度范圍和固相線是不同的。
結(jié)果表明,合金的凝固溫度范圍越大,固相線越低,結(jié)晶裂紋傾向越大。
高溫合金的狀態(tài)對(duì)液化裂紋的產(chǎn)生也有很大影響。
鑄態(tài)合金和變形合金的失效狀態(tài)對(duì)液化裂紋更敏感,而固溶態(tài)(或退火態(tài))的液化裂紋傾向較小。
此外,高溫合金的晶粒越粗,越容易引起液化裂紋。
應(yīng)變裂紋是指沉淀強(qiáng)化高溫合金焊接后,在時(shí)效處理或高溫服役過(guò)程中,由于焊接殘余應(yīng)力的作用,由沉淀強(qiáng)化引起的一種沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象,屬于再熱開(kāi)裂性質(zhì)。
要求高溫合金焊接接頭與母材一樣具有抗氧化性、耐腐蝕性、良好的高溫強(qiáng)度、塑性和疲勞性能。
無(wú)論是固溶強(qiáng)化的合金還是析出強(qiáng)化的合金,在過(guò)熱區(qū)都有明顯的晶粒粗化現(xiàn)象。
粗晶對(duì)高溫瞬時(shí)強(qiáng)度和持久強(qiáng)度有一定的優(yōu)勢(shì),但嚴(yán)重降低高溫塑性和疲勞強(qiáng)度。
接頭強(qiáng)度系數(shù)主要取決于接頭區(qū)的顯微組織特征,尤其是熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大,強(qiáng)化相和碳化物溶解形成的弱化區(qū)直接影響接頭強(qiáng)度。
在拉伸過(guò)程中,弱化區(qū)和硬化區(qū)阻礙了試樣的均勻變形,焊縫的存在也影響了接頭的均勻變形,所以大部分塑性變形發(fā)生在弱化區(qū),大部分最終的緊縮和開(kāi)裂發(fā)生在f區(qū)。
GH44(GH44高溫合金
686,60,90(俄羅斯)。
GJB2612-1996《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范。
GJB3020-1997《航空用高溫合金環(huán)坯規(guī)范。
GJB3317-1998《航空用高溫合金熱軋板材規(guī)范。
合金采用電弧爐、非真空感應(yīng)爐或真空感應(yīng)爐電渣重熔或真空電弧重熔工藝熔煉。
合金用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)住燃燒室和加力燃燒室的板材沖壓和焊接結(jié)構(gòu)件以及安裝邊、導(dǎo)管和導(dǎo)向葉片等零部件。
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