小型燃气轮机用先进镍基高温合金(二)

cm681 LC合金

Cannon-Muskegon开发了cm681 LC合金作为高性能整体铸造涡轮车轮合金。该合金是一种抗氧化的氧化铝形成剂,具有较高的Ta,较低的Ti3% Re1.5%高频(5)。厘米681 LC是评估的先进材料对小型涡轮发动机(AMSTE)团队NASA航天工业技术项目(AITP)项目确认铸造性能的低敏感性热撕裂/热裂化和车轮质量评[21]

cm681 LC合金相对于EO MAR M 247EO CM 247 LC合金的典型室温拉伸性能见表6cm681 LCMAR M 247的断裂寿命对比如图8所示。

8 – CM 681 LC/MAR M 247 比较 Larson-Miller 断裂寿命

cm681 LC合金开发或设想的应用包括具有成本效益的、高性能整体铸造轴向涡轮轮毂,用于巡航导弹、无人机和APU涡轮发动机,以及用于分布式动力的微型涡轮机。径向涡轮轮的应用也在发展中。

cm186 LC合金

cm186 LC是一种Re-bearing DS合金(表5),其力学性能接近第一代(非Re-bearing) SX高温合金。保持了dscm247lc合金良好的铸态性能,cm186lc合金可在铸态+双时效条件下使用固溶热处理诱导再结晶(RX)的制造成本和防止缺陷[22]

如图9所示,在982C 1800 F的蠕变/应力断裂试验条件下,cm186lc合金的Larson-Miller断裂寿命相当于第一代Sx allovs CMSX-2/3。较高温度下的强度介于DS CM 247 LCCMSX-2/3[22]之间。

9 – DS CM 186 LC、DS CM 247 LC 和 SX CMSX-2/3 的 Larson-Miller 应力断裂寿命

 近年来,SX技术的优势(由于优越的疲劳性能,提高了部件的寿命)。蠕变、氧化和涂层性能)有时被铸件复杂性导致的低产量所抵消。由于所有的晶界强化元素已经被消除,这里对铸造异常的容忍度非常小,例如低角度和高角度边界(LAB/HAB)。典型的SX铸件在铸件的最高应力位置将LAB缺陷限制在6-8.5°。

   DS Re-bearing合金(如cm186 LC)有时被用于取代第一代SX合金(如CMSX-2/3),由于较高的铸造产量,成本节约[31]。然而,DS部件比SX叶片铸件的优势更小,因为在非翼型区域的晶界,特别是多个翼型段的内、外叶冠。因此,sx铸造cm186lc合金以生产具有更大晶粒规格的单晶铸件的概念被评估,旨在放松晶粒要求以获得更高的铸造产量[23]。劳斯莱斯AE3007和AE1107C Liberty第二叶片已经成功实现了这一点,发动机的使用经验为3500万小时/飞行循环,部件寿命通常为20000小时/循环(图10)。

10 – 用 SX CM 186 LC 合金铸造的 AE 3007 A1 第二叶片节段

CMSX-4合金

CMSX-4是第二代稀土镍基Sx高温合金,文献对其进行了广泛的调查和记录[4.5.22.24-251]。表5提供了标称化学成分。自1991年以来,CMSX-4合金已成功地应用于许多航空和工业燃气轮机应用。这些应用,如高压涡轮叶片和密封,在广泛的发动机服务中显示了令人印象深刻的高温强度、良好的相稳定性和氧化、热腐蚀和涂层性能的结合[26-28]。迄今为止,CMSX-4合金已经制造了近1000万磅(1200热)。

CMSX-4 [La+Y]合金随后被引入,以满足日益增长的发动机热截面涡轮部件的设计要求。特别感兴趣的是改善裸合金氧化性能,以减少叶尖和内部氧化,并改善热障涂层(TBC)的粘附性。反应性元素添加的评价表明,添加镧(La)和钇(Y)可以显著改善CMSX-4裸合金(硫含量为s2 ppm)的氧化行为(图11)[29]。这些活性元素结合硫和磷作为稳定的硫化物/磷化物,对氧化铝垢的粘附有有利的影响。

11 – 添加和不添加活性元素的 CMSX-4 裸合金的 1093°C (2000°F) 动态循环氧化结果

1050C (1922F)下进行蠕变断裂测试后观察到的显著的表面微观结构显示了添加La + Y的好处(图12)[301]。1389小时后,出现了一层8微米厚的2层氧化膜,完全没有伽马素耗尽的证据。如果没有La+Y的加入,在这个温度下长期暴露将会导致显著的Y '损耗。这种行为转化为EB-PVD TBC寿命的实质性改善,如图13[31]所示。

图 12 – CMSX-4 [39 ppm La+Y] 在 105°0C/125 MPa 下进行蠕变断裂测试后的表面微观结构 12 – CMSX-4 [39 ppm La+Y] 在 105°0C/125 MPa 下进行蠕变断裂测试后的表面微观结构

图 13 – 反应元素对 EB-PVD TBC 寿命的影响 1093°C/10 小时热暴露循环 13 – 反应元素对 EB-PVD TBC 寿命的影响 1093°C/10 小时热暴露循环

CMSX-4(SLS) La+Y]合金是CMSX-4的改进版本,采用La和Y预合金化,硫含量始终保持在1ppm。采用预合金CMSX-4(SLS)La+YI铸锭进行的铸造试验表明,与传统的镍箔包裹在铸炉炉料增量上附加包料相比,La+Y含量的控制和保留得到了改善。添加包的有效性取决于融化和随后的诱导搅拌之前的倒。预合金化的钢锭提供了更大的一致性的活性添加物在熔化的合金中,并减少了在温度保持时间所需的剩余硫,最大限度地减少了反应元素在重熔期间的损失。此外,由于CMSX-4(SLS)ILa+YI的硫含量持续较低,因此需要更小的La+Y保留量来获得同样优越的裸氧化性能和涂层/TBC寿命[32]。

CMSX-4合金是理想的小型固体非冷却部件在导弹和小型涡轮发动机的最热应用。CMSX-4(SLS)ILa+Y]提高了裸合金和/或涂层的抗氧化性。

 

总结

镍基铸造高温合金具有优异的综合性能,适用于小型微型涡轮、涡轮喷气发动机、涡轮增压器和导弹发动机部件。等轴的典型性质和应用。讨论了定向凝固和单晶铸造的成分。潜在的好处包括提高温度能力和耐久性,以及经济地制造这些发动机程序的复杂配置。

 

 

 

 

 

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