航空发动机750℃用GH586合金大型涡轮盘的研究

【类型】学位论文

【作者】谢伟 

【关键词】 GH586合金 涡轮盘 热加工 组织性能

【摘要】涡轮盘作为发动机的心脏，经受着最苛刻的条件考验，而现代的航空发动机要求越来越强大的动力和效率，提高涡轮盘进口的温度是实现大推力的途径之一，这就意味着涡轮盘所受的温度越来越高，并对涡轮盘的全面性能特别是高温性能提出了更高的要求。目前，我国现役航空发动机装备的高温合金涡轮盘采用的全部是变形高温合金材料，如GH4169、GH4133B、GH2901、GH4698等合金，这些合金的极限使用温度均在700℃以下，在700℃以上工作时屈服强度和持久性能都开始大幅度衰减，已经不能满足研制中的新一代高性能发动机的要求，迫切需要研制工作温度达到750℃的大型高性能高温合金涡轮盘，满足新型高性能发动机的急需。在多次论证后，最终选用具有完全自主知识产权的GH586合金作为目标合金开展大尺寸涡轮盘研究工作。 GH586合金是我国自行研制成功的750～850℃使用高性能高温合金，是在Rene′41 合金（GH141合金）基础上结合国际发展趋势发明的新合金。该合金合金化程度高，变形抗力大，特别是随着锻件尺寸的增大，就必须扩大锭型，这就要面临解决大锭偏析、大锭开坯和涡轮盘模锻成型等问题，而国内的大型热加工设备相对落后，吨位比较小，需要对合金热加工性能进行系统研究，制定合理的热加工参数。本文正是在此背景下，立足于国内现有的设备条件，通过深入细致研究及采取一系列措施，解决了本课题的大钢锭冶炼成分均匀性、铸锭开坯、镦饼及模锻等关键技术问题，成功地试制出了直径达到550mm的GH586合金涡轮盘模锻件，表面质量优良各项性能均达到技术标准，这在国内属首次，填补了国内该类合金锻件研制的空白，其工艺技术在国内具有领先水平，从而提升了我国高温合金的生产水平。 通过研究，本文得到以下结论： (1) 微量元素Zr可促进沉淀强化γ′相的析出，同时具有促进二次碳化物相时效析出量的作用，有利于获得球状的晶界二次碳化物。在合金中适量添加Zr元素，可有效提高合金的高温拉伸强度和高温持久强度； (2) GH586合金中B的作用主要取决于B进入基体γ相中的量，即当γ相中B含量在0.004～0.006％时，合金的韧性与持久性能最佳； (3) 碳含量在0.03～0.07%范围内变化，性能都能满足技术要求，最佳碳含量为0.05～0.07%，纯洁度较好，晶粒细小； (4) GH586合金的变形行为具有高度的温度和应变速率敏感性，流变应力随着变形温度的降低和应变速率的增大而迅速增大，在1100℃以上的温度区间内变形，能够有效降低流变应力、减小设备载荷； (5) 用Arrhenius方程描述GH586合金流变应力行为，其热变形激活能Q为557.8KJ/mol；流变应力与应变速率、温度的关系可表示为： ； (6) 提高变形温度能够有效促进动态再结晶过程，在1100℃以上的高温区间变形，30%的工程应变量即能够获得完全动态再结晶的锻态组织，从而保证在热处理后能够获得均匀的等轴晶组织； (7) φ508自耗锭，采用氦气冷却、短弧冶炼、熔滴脉冲控制等先进的自耗冶炼技术，使低熔速冶炼，快速冷却得以实现，解决了φ508自耗锭枝晶干与枝晶间的偏析问题； (8) 为进一步减少钢锭枝晶干与枝晶间的偏析，对φ508自耗锭采用高温1200℃×60h均匀化处理，同时也提高了合金的热加工塑性； (9) 为提高锻件的材质组织均匀性，减少转移和锻造过程中的温降，保证终锻温度，在锻造加热过程中采用先进的可粘贴保温锻造技术，成功地将GH586合金φ508大钢锭锻造开坯至φ280； (10) 镦饼时采用了复合包套技术大幅度减少了坯料的热量损失，同时有效控制了转移时间，并针对坯料的尺寸特点制订了合理的压下制度，因此镦饼过程中保持了较高的表面终锻温度，获得了尺寸合格、表面质量良好的GH586合金饼坯，为后续模锻工艺研究打下了良好的基础； (11) 通过采取保温锻造、模具预热、选择合适的锻压速度等工艺，GH586合金的大型涡轮盘锻件的锻造充满情况良好，表面质量优良涡轮盘各项性能均已达到技术标准。

【学位授予单位】上海大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】朱丽慧

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