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1、RENE150定向凝固高温合金涡轮叶片摘要：政府和工业界4年合作项目，属于MATE先进涡轮发动机材料项目，经改善铸造和加工方法的镍基高温合金RENE150定向凝固转子零件已经实施用于发动机测试。该部件制造用于CF6-50高压一级涡轮转子叶片，本项目的目标是：（1）表明在推力可调、先进的商用CF6-50发动机（提升燃油效率1.45%sfc）上提高运行温度的能力；（2）改善叶片铸造工艺，该工艺允许叶片在保证质量的前提下不超过原RENE80叶片制造成本的1.5倍。本项目分成八个任务：TASK1：包括涡轮叶片的设计和分析;TASK2：包括合金制备和评估、机匣/核心机选择、初步铸造参数设计;TASK3：
2、包括RENE150涡轮叶片外部涂层系统的适配和选择;TASK4：确定RENE150涡轮叶片铸造工艺，包括试制铸造过程和项目铸造成本分析。TASK5：包括涡轮叶片成品制造，该叶片用于部件试验；TASK6：包括用于发动机试车的成品叶片制造；TASK7：包括地面发动机RENE150涡轮叶片成品测试；TASK8：地面发动机测试结果分析。第二册文件是TASK5核心机试车结果和最后两个任务的结论。RENE150高压涡轮叶片已成功完成投产型DS铸造，有涂层和没有涂层两种叶片机械和物理性能符合设计要求，叶片已完成加速持久试车，结论在第二册中分别给出。1 概述本项目的任务是扩大先进的DS涡轮叶片合金Rene15
3、0在CF6-50发动机HPT一级涡轮叶片的应用范围。本次扩展应用将许可RENE150提升运行温度（超过RENE80）以期实现商用发动机CF6-50提升1.45%燃油效率。本项目将通过改进铸造工艺，使得该叶片制造成本能够在不超过Rene80叶片1.5倍的前提下，完成批量生产。项目开始阶段使用的是1977年9月的RENE150性能数据（见表1），初步设计分析确定RENE150材料应用于CF6-50叶片上时抗温度、载荷和应力的性能。该分析表明RENE150可应用于CF6-50一级高压涡轮叶片设计。通过研究空气冷却模式，确定其对叶片温度、应力和寿命的影响，并改进叶片冷却结构（对完成发动机试车验证是必须
4、的）。相对RENE80叶片，RENE150涡轮叶片冷却性能改进后实现提升平均使用温度56（100）。去除一排进气边冷却孔，如图1所示，在叶片底部使用一个节流板控制进入叶片空气量。与初始设计活动并行开展RENE150合金的采购和验证工作以满足整个项目需求。共采购1.6吨定型RENE150合金。该铸件已完成基于GE标准的测试验证，包括化学分析，可铸性、拉伸和应力断裂测试。四个陶瓷芯材料和四个面层/陶瓷涂层组合被评估后用于叶片铸造过程。基于Rene150合金溶液可铸性和稳定性选用SR-731芯体。基于表面粗糙度和温度特性，选用氧化铝涂层/莫来石陶瓷涂层组合系统，用于GE的快速自动化多功能DS铸造过程
5、。叶片制造需要的陶瓷模具已完成制造，初步铸造试验已经完成。但模具需要在叶片伸根区域进行改造，如图2所示，通过增加附加的金属厚度用于阻止铸造过程中的裂纹产生。该附加材料最终将通过电火花工艺移除以获取所需的尺寸。使用改造后的铸造工具做了20次最终设计铸造试验，已完成晶相结构、荧光、目视检查和X光检查。没有遇到大的问题，因此，铸造过程的预制已完成。基于80%通过了初步铸造检查，本工艺被定为部件和发动机试验用叶片铸造工艺。本项目已完成成本分析，基于最终定型工艺和可接受标准，成本测算的是定型状态的RENE150涡轮叶片。在合理可获得的叶片标本下，估计RENE150涡轮叶片成本约为 Rene80等轴晶叶片
6、的1.5倍。用于部件试验和发动机试验的RENE150涡轮叶片使用RAM-DS工艺。铸造工序已完成，打冷却孔、焊接叶尖盖板，最终机加工也已完成，最终检查符合图纸要求。伸根区域的附加材料已通过电火花加工去除。铸造合格率是可接受的，打冷却孔时没有出现问题。大量的损耗是由于不正确的冷却孔定位，经验表明是使用了较软的工具导致。这种损耗在整个制造过程中是不可接受的。电镀铝NiCrAlHf工艺最初选用于外部涂层，该涂层包括三种电镀层包括Cr和Ni，以及包覆渗工艺增加Hf和Al。通过评估其对叶片保护能力，表明该涂层适用于Rene150叶片；然而，基于GE正在开展的平行项目结果，一种替换涂层被用于测试叶片制造过
7、程。叶片制造的同时，进行机械性能和部件测试，以最大保障该叶片在发动机试验中的安全性和成功率。这些试验将是寿命预测和可靠性预测的基础。进行HCF试验为部件试验和数据对比提供一个极限设置的基础。生成的古德曼图表被用于建立与发动机叶片设计和性能相关的HCF能力要求。叶片部件试验包括：应变分布、频率和振型试验用于确定涡轮叶片对各种激振模型的响应。部件HCF试验建立叶片疲劳强度与试棒数据的关系，以及确定叶片应力/应变性能参数。核心机试验预测叶片性能。冲击试验建立叶片抗外来物损伤能力。模拟发动机热冲击试验提供基本热疲劳性能信息。这些试验确定叶片能够满足涡扇发动机耐久性试验要求。有涂层成品叶片安装在CF6-
8、50转子上，如图3所示。发动机组装完成，叶片完成工厂试车的耐久性试验；试验结果在第二册。项目2的结果确定增加Rene150服役温度，并表明能够通过铸造过程达到设计目的。本项目大幅提升镍基DS高温合金工艺水平。获取了该合金的性能参数，尤其具有价值。2 介绍2.1 背景NASA先进航空发动机材料项目主要目的是推进新材料技术在先进航空发动机中的应用以取得经济和性能提升。项目包括加快对所选材料技术的转换，通过从可行性阶段到发动机验证阶段的推广，以及对材料技术投资/收益分析，为后续材料技术的选择提供指导。本报告中，GE MATE的项目2，阐述了将定向结晶涡轮叶片合金（rene150）推广应用到CF6-5
9、0发动机的高压一级涡轮叶片上。下面段落描述了MATE项目的目标，以及RENE150的某些材料特性。在喷气发动机的早期阶段，便期望提高涡轮叶片的材料性能。因此已开发了一系列新的高温合金。以每年提高8的抗高温能力增长。从1950年早期开始，通过改进镍基高温合金的强度来提高材料的抗高温能力。认为通过改进等轴晶、真空铸造方式的高温合金，是不可能超过今天使用的最好合金（RENE125）的。相比于传统的、随机定向微观结构的高温合金来说，定向结晶高温合金，至少有三大优势： 基本上消除了垂直于结晶方向上晶界的强度限制；在涡轮叶片上，这也是主要轴向应力；消除这种强度后增强了断裂强度； 从本质上降低了在结晶方向上
10、的弹性模量，极大的降低了由热梯度所产生的断裂应力，因此提高了抗热疲劳能力。 在结晶方向上，大幅提高延展性。允许添加更多合金元素来提高强度，并且保持原有延展性。因此GE已建立了合金目标（rene150）。该合金的目标是超过rene125的性能。Rene150采用定向结晶并增强相强度，由于采用了定向结晶技术，rene150会比125要重一些。150的材料成分在附录A中给出。当合金按照传统铸件进行初始设计，并采用定向结晶时，仅能小幅度提高抗高温性能。Rene150充分利用DS工艺优势，与当前DS合金相比，获得了28到33的断裂强度裕度。相比于GE的rene80高出64的裕度，比rene125高出33
11、裕度。Rene150的初期断裂应力强度数据表明，比CC rene80材料的抗高温能力提高64-67。150与80和125的断裂强度对比图，见图4.附录A给出了在本项目实施前的rene150其它数据：成分、密度、拉伸特性、弹性模量、抗氧化特性、抗热腐蚀特性、热膨胀率、LCF和热传导率。基于同rene80在CF6-50发动机上的使用经验，对比rene80和rene150，评估150的优势：参数百分比比燃油消耗率-1.45%燃油消耗量-3.23%直接运行成本-1.85%投资回报率+0.64%本项目采用了独特的DS过程。其术语为快速自动多核DS（RAM-DS）。该过程与传统铸造工艺有较大不同，在具有独
12、立加热，冷却，和分离系统的单模具中铸造叶片，而不是传统的多模具铸造方法。尽管GE在150材料的开发过程中取得了较大的技术进步，但仍需要加大材料推广应用力度，才能将其材料运用于商业领域。2.2 项目概况GE的MATE项目2，其总目标是推广rene150的运用以及rene150叶片的发动机试车，150是一种先进的适用于发动机涡轮叶片的高温合金。选用CF6-50发动机的一级涡轮叶片来验证材料的性能。项目的目的有：（1）在CF6-50发动机，使用rene150制造一级HPT叶片，证明其能够提高运行温度，并降低1.45%的燃油消耗量。（2）优化叶片铸造工艺，使得铸造rene150叶片的费用不超过铸造re
13、ne80叶片的1.5倍。项目2的TASK：TASK1：涡轮叶片设计和分析TASK2：初步rene150材料系统优化TASK3：涂层选取和评估TASK4：rene150材料系统最终优化TASK5：部件试验-叶片生产和评估TASK6：发动机试验-叶片生产TASK7：发动机试验TASK8：试验结果分析下图给出整个项目的结构流程，图5。图5 rene150定向结晶合金涡轮叶片开发路线图3.0 TASKI-涡轮叶片设计和分析本节的目标是进行涡轮叶片的设计分析，为rene150涡轮叶片能够成功通过工厂耐久性试车提供指南。3.1 初始设计分析使用项目启动阶段可用的rene150材料性能数据（附录A）进行初步
14、设计分析，确定CF6-50发动机叶片抗温度、载荷和应力水平。在CF6-50M发动机工作温度和转速条件下，进行CF6-50M发动机叶片构型（当前设计以及将用于项目2的设计构型）的中径温度分析。最小断裂寿命，基于“叶片蠕变III”计算机仿真分析，相比于使用了相同边界条件假设、带冷却孔的CC rene80涡轮叶片的断裂寿命，rene150叶片的断裂寿命是rene80叶片断裂寿命的4.2倍。仿真分析包括薄壁效果、10晶粒取向因子、0.7倍的安全系数。Rene150叶片的低周疲劳寿命（LCF）表明，在相似的试验条件下且使用平均材料特性数据的前提下，rene150叶片的LCF寿命是CC rene80叶片的
15、16倍。此处寿命是指叶身前缘出现裂纹的循环次数。初始分析表明，rene150可用于制造CF6-50发动机的一级涡轮叶片。3.2 rene150 CF6-50叶片设计本子节的目标是进行叶片气冷结构更改研究，以确定其对叶片温度、应力和寿命的影响，进而确定能够通过发动机试验所必须的涡轮冷却结构的构型。由于rene150比rene80具有更高的耐温特性，因此可选择将150和80叶片分别装在同一台发动机上进行试车，80叶片在常温条件下运行，150叶片可在相对更高的温度下运行，进而证明rene150的优势。由于验证了150叶片比现有材料制造的叶片（如80叶片）具有更高的耐温特性，因此可转变为150叶片能够
16、提高发动机性能，延长发动机寿命或两者同时增加。特别是，150叶片具有如下优势：发动机性能：由于具备更高的耐温能力，因此在保证相同的使用寿命的前提下，可以减少冷却空气，相应的就减少燃油消耗量。例如：对CF-50发动机在固定载荷的前提下，使用150叶片后，其燃油消耗量的改善情况，如图6。对于更先进的CF6-50可变载荷的商用发动机，使用项目2的结果后，可将燃油消耗量降低1.45%。上述评估结论，是基于NASA和GE的涡轮发动机低能源消耗设计项目的研究结论。在正常设计应力水平和冷却空气流量率的条件下，在允许的更高涡轮进口温度范围内，提高温度增加推力。图6 CF6-50发动机使用rene150一级涡轮叶片后，对燃油消
