航空材料之發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片班級(jí)：發(fā)動(dòng)機(jī)1102航空材料與熱處理論文飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片引言近半個(gè)多世紀(jì)以來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)推重比從初期的2、3提高到10甚至20,這就對(duì)材料和制造技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉（包括渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片J是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中承受溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境最惡劣的部件之一，在高溫下要承受很大、很復(fù)雜的應(yīng)力，因而對(duì)其材料的要求極為苛刻。自20世紀(jì)四十年代以來，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用材料，國內(nèi)外都投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究，研制出了不同的系列，滿足了航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需求。關(guān)鍵詞：渦輪葉片；防腐與維護(hù)：K403合金；熱處理；顯微組織一、國外概況航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用材料最初普遍采用變形高溫合金。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。美國從20世紀(jì)50年代后期開始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯(lián)在60年代中期應(yīng)用了鑄造渦輪葉片，英國于70年代初采用了鑄造渦輪葉片。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比，使得變形高溫合金和鑄造高溫合金難以滿足其越來越高的溫度及性能要求，因而國外自70年代以來紛紛開始研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料；單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到了第3代。80年代，乂開始研制了陶瓷葉片材料，在葉片上開始采用防腐、隔熱涂層等技術(shù)。二、中國概況中國高溫合金的研制始于1956年。1937年成功研制出笫1種渦輪葉片材料GH4033,但是，由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)水平較低，工藝未完善，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造用材料基本上是從前蘇聯(lián)進(jìn)口的。直至60年代初，山于中蘇關(guān)系惡化，無法從前蘇聯(lián)進(jìn)口材料，發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)面臨材料短缺。在此情況下，中國相關(guān)部門聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，解決了GH4033、GH4037.GH4049等材料的生產(chǎn)質(zhì)量和工藝問題，開始書寫了研制中國發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用變形高溫合金的新篇章。在變形高溫合金成功研制的基礎(chǔ)上，中國乂相繼研制了K403、K405、K417.K418和K423等一系列等軸晶鑄造高溫合金，滿足了國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)以鑄造代鍛造，使導(dǎo)向葉片和渦輪葉片鑄造化的要求，并在70年代應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造。70年代末，中國開始了定向凝固柱晶高溫合金、單晶高溫合金、金屬間化合物基高溫合金等新材料的研制工作，先后研制成功了DZ4、DZ22、DZ125等定向凝固柱晶島溫合金，DD3、DD4,DD6等單晶高溫合金,IC6,IC6A,IC10等金屬間化合物基高溫合金，并已應(yīng)用于中國各型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片的制造。從表1列出的中國渦輪葉片用主要材料的概況中看出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)渦輪葉片用材料的使用溫度提出了越來越高的要求；中國渦輪葉片用材料也從變形高溫合金發(fā)展到了單晶高溫合金和金屬間化合物基高溫合金，其使用溫度從700°C提高到了1100°C?1150°C。表1..中國渦輪葉片用主要材料的概況序號(hào)材料牌號(hào)材料類別用途使用溫度(°C)開始應(yīng)用時(shí)間(年代)1GH2302變形高溫合金1】作葉片800602GH4033變形高溫合金1】作葉片700603GH4037變形高溫合金工作葉片850604GH4049變形高溫合金匚作葉片900605GH4220變形高溫合金1】作葉片950806GH710變形高溫合金1】作葉片950807GH738變形高溫合金工作葉片815708K403等軸日日鑄造高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片900-1000709K405等軸日日鑄造高溫合金上作葉片9507010K417G等軸日日鑄造高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片9008011K418等軸日日鑄造高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片9007012K423等軸日日鑄造高溫合金導(dǎo)向葉片10007013K441等軸日日鑄造高溫合金導(dǎo)向葉片11009014K4002等軸日日鑄造高溫合金匚作葉片10008015K640等軸日日鑄造高溫合金導(dǎo)向葉片10008016DZ4定向凝固柱晶高溫合金1】作葉片、導(dǎo)向葉片100010508017DZ5定向凝固柱晶高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片10008018DZ417G定向凝固柱晶高溫合金1】作葉片、導(dǎo)向葉片9809019DZ22定向凝固柱晶高溫合金片1】作葉片、導(dǎo)向葉片100010509020DZ125定向凝固柱晶高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片100010509021DZ125L定向凝固柱晶高溫合金工作葉片、導(dǎo)向葉片100090105022DD3單晶高溫合金匚作葉片、導(dǎo)向葉片104011009023DD4單晶高溫合金1】作葉片、導(dǎo)向葉片100010509024DD6單晶高溫合金匚作葉片1100211寸紀(jì)25IC6(IC6A)金屬間化合物基高溫合金導(dǎo)向葉片11509026IC10金屬間化合物基高溫合金導(dǎo)向葉片1150211寸紀(jì)工作環(huán)境及其性能要求渦輪葉片包括靜止的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)的工作葉片。渦輪是在燃燒室后面的一個(gè)高溫部件，燃燒室排出的高溫高壓燃?xì)饬鹘?jīng)流道流過渦輪，所有葉片恰好都是暴露在流道中必須承受約1000°C的高溫IMpa的以上高任燃?xì)獾臎_刷下正常工作。燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚怏w從燃燒室噴出后，氣流沿兩片導(dǎo)向葉片之間收斂的通道，加大速度，降低壓強(qiáng)，膨脹并改變方向，以適當(dāng)?shù)慕嵌群兔棵雰喊酌椎乃俣龋瑳_向渦輪的工作葉片，使工作葉片高速旋轉(zhuǎn)，并通過渦輪軸帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)。渦輪轉(zhuǎn)子葉片在工作中一直處于高溫工作狀態(tài)，因此熱疲勞和高溫蠕變性能也是渦輪轉(zhuǎn)子葉片的重要失效抗力指標(biāo)。四、失效形勢葉片產(chǎn)生失效的主要原因，歸納起來主要包括：熱疲勞在內(nèi)的低循環(huán)疲勞。振動(dòng)引起的高循環(huán)疲勞，高溫長時(shí)間載荷作用下的蠕變變形和蠕變應(yīng)力斷裂，高溫燃?xì)鉀_刷腐蝕和氧化、以及外物損傷等。轉(zhuǎn)子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不同，主要是外物損傷、變形伸長和斷裂三種失效形式。葉片的外物損傷失效主要表現(xiàn)為凹坑、掉塊、表層剝落、彎曲變形、裂紋和折斷等。其中凹坑、裂紋等損傷往往會(huì)成為腐蝕和疲勞斷裂的初因。轉(zhuǎn)子葉片變形伸長失效的直接后果是葉身與機(jī)匣相磨，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。其主要原因有：材料選用不當(dāng)或熱處理工藝不當(dāng)使葉片的屈服強(qiáng)度偏低；葉片工作溫度過高，是葉片強(qiáng)度降低：或者發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)，造成離心力過高。葉片變形失效在實(shí)際使用中出現(xiàn)的概率較低。判斷葉片是否發(fā)生變形伸長的主要依據(jù)是檢查機(jī)匣有無磨損的痕跡或檢查葉片是否由于使用溫度過高而發(fā)生蠕變。轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一個(gè)葉片折斷而打壞其他葉片，乃至使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)無法工作而危及飛行安全。除因外物撞擊造成葉片瞬時(shí)過載斷裂外，絕大多數(shù)是由于各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效。葉片疲勞斷裂失效主要是因?yàn)殡x心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞斷裂、山振動(dòng)環(huán)境引起的顫振，扭轉(zhuǎn)共振、彎曲振動(dòng)疲勞斷裂以及山環(huán)境介質(zhì)以及接觸狀態(tài)引起的高溫疲勞、微動(dòng)疲勞和腐蝕損傷導(dǎo)致的疲勞斷裂。但山于葉片工作環(huán)境的復(fù)朵性，葉片實(shí)際的疲勞斷裂往往并非上述某一模式。而是多種情況的疊加。五、渦輪轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)多處采用多級(jí)軸流式渦輪。渦輪葉片具有氣動(dòng)力翼型型面，為了使燃?xì)庀到y(tǒng)排出的燃?xì)饬骱猎谡麄€(gè)葉片長度上做等量得功，并保證燃?xì)饬饕跃鶆虻妮S向速度進(jìn)入排氣系統(tǒng)從葉根到葉尖有一個(gè)扭角，葉尖處的扭角比葉根處要大。渦輪轉(zhuǎn)子葉片在渦輪盤上的固定方法十分重要，現(xiàn)代大多數(shù)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子都采用“楓樹形”樟齒。這種樟齒精確加工和設(shè)計(jì)，以保證所有樟齒都能按比例承受載荷。當(dāng)渦輪靜止時(shí)，葉片在棒槽內(nèi)有一定的切向活動(dòng)量；而當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，離心力將葉根拉緊在盤上。渦輪葉片材料是保證渦輪性能和可靠性的基礎(chǔ)，渦輪葉片早期是用變形高溫合金，采用鍛造的方法制造。山于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與精鑄技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片從變形合金發(fā)展為鑄造合金從實(shí)心發(fā)展為空心，從多晶發(fā)展為單晶，從而大大提奇了葉片的耐熱性能。山于像基單晶超合金具有卓越的高溫蠕變性能已成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的重要材料。六、渦輪葉片所采用的材料所選材料是K403,K403合金是一種鑄造銀基高溫合金。該合金具有較高的高溫強(qiáng)度，廣泛用于鑄造渦噴、渦漿、渦軸和渦扇等系列發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片和工作葉片。相是銀基合金的主要強(qiáng)化相，影響合金的高溫性能。K403合金中有較高含量的丫'相形成兀

素Al,Ti等，因而合金組織中丫‘相的體積分?jǐn)?shù)較高。表1K403銀基合金的化學(xué)成分成分CCrCowMoBAlTiCeFeSiMnNi含量%0.1511.25.25.024.200.025.622.650.070.50.20.1Bal七.零件熱處理工藝鑄造毛坯葉片一固溶處理或固溶+時(shí)效處理一粗加工一涂滲防護(hù)層一精加工。鑄造無余量葉片（包括定向結(jié)晶或單晶葉片）一真空下（或保護(hù)氣體）固溶處理或固溶+時(shí)效處理f涂滲防護(hù)層f精加工。K403熱處理合金牌號(hào)工序名稱熱處理工藝?yán)鋮s方式備加熱溫度°C保溫時(shí)間K403固溶處理12104h空冷K403熱處理后的高溫性能試驗(yàn)溫度°。ob,MPa5s,%+,%持久不小于o,MPat,h（不小于）8007852.03.075064550不同固溶溫度下K403合金的顯微組織熱處理工藝ob/MPao0.2/MPa55/%0/%Hardness,HRC1190°C,4h,AC+900°C,16h,AC10609556.07.042.41190°C,4h,AC+940°C,16h,AC11109304.05.045.21190°C,4h,AC+980°C,16h,AC10509007.08.541.1表2不同溫度時(shí)效后合金的800°C拉伸性能和室溫硬度八、材料的腐蝕情況對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片來說，渦輪葉片的工作環(huán)境是在高溫下進(jìn)行的高速旋轉(zhuǎn)，因此，對(duì)于高溫來說，為了防止高溫的腐蝕，我們通常在渦輪葉片上涂上一層隔熱圖層，已達(dá)到高溫防腐的目的九、防護(hù)方法改進(jìn)工藝工藝因素對(duì)渦輪葉片疲勞強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于尺寸因素的影響。先進(jìn)、合理的工藝流程可以使葉片的疲勞性能穩(wěn)定、并提高葉片的承載能力。鍛、鑄造工藝為了提高葉片的鍛、鑄造質(zhì)量，因此在鍛、鑄造過程中要注意以下工作參數(shù)的選擇：（1）澆注溫度的選區(qū)應(yīng)以使型殼得到良好的填充和保證鑄件獲得最少的疏松為原則（2）型殼溫度的選擇應(yīng)與澆注溫度相配合（3）冷卻速度。影響葉片蠕變性能的主要因素是鑄造條件下的葉片冷卻速度。對(duì)于高溫的渦輪葉片，應(yīng)選取高的冷卻速度，以改善渦輪葉片的高溫性能。機(jī)械加工工藝渦輪葉片的疲勞強(qiáng)度同時(shí)取決于機(jī)械加工和殘余應(yīng)力的大小，以及葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。因此，在機(jī)械加工過程中，主要從以下兒個(gè)方面改進(jìn)加工工藝。（1）提高葉片表面光潔度，盡量皮面擦傷和劃痕；（2）使葉片的加工方向與最大主應(yīng)力方向一致；（3）在制造過程中，應(yīng)避免在葉片表面層產(chǎn)生有害的拉伸殘余應(yīng)力。（4）采取時(shí)效處理。（5）盡可能將葉片按設(shè)訃流線型加工，確保葉片表面成流線型狀態(tài)，減小應(yīng)力集中。表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化是提高渦輪葉片疲勞強(qiáng)度的有效方法之一，目前渦輪葉片常用的表面強(qiáng)化的主要措施有：化學(xué)熱處理，表面淬火，噴丸處理和表面滾壓。這些強(qiáng)化表面層的工藝措施可以提高渦輪葉片的表面硬度，從而減少渦輪葉片的表面損傷，而最主要的還是在渦輪葉片表面形成一層具有壓縮殘余應(yīng)力的表面層。渦輪葉片的疲勞損壞是山其表面層所受的拉應(yīng)力所引起的，表面層的殘余壓應(yīng)力可以抵消一部分拉應(yīng)力，從而使渦輪葉片的疲勞強(qiáng)度得到提高。表面防護(hù)渦輪葉片疲勞破壞一般都是從表面開始，而表面與高溫燃?xì)猸h(huán)境接觸，這對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。因此，采用合適的表面防護(hù)方法，使葉片表面與高溫燃?xì)猸h(huán)境隔離可以提高葉片的耐高溫疲勞強(qiáng)度。LI前渦輪葉片表面防護(hù)的主