CN105886954A - 一种飞机发动机风扇叶片用合金 - Google Patents

一种飞机发动机风扇叶片用合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种飞机发动机风扇叶片用合金，所述合金材料的化学元素成分及其质量百分比为：C：0.01%~0.10%，B：0.01%~0.08%，Mn：0.06%~0.15%，Ti：1.0%~3.0%，Mo：0.01%~0.04%，W：5%~15%，Cu：0.21%~0.30%，Ni：9.0%~12.0%，Cr：18.0%~21.0%，Nb：0.10%~0.20%，Ta：0.01%~0.02%，Re：0.01%~0.02%，Sr：0.015%~0.040%，Zn：0.31%~0.42%，Mg：8.0%~11.0%，La：0.01%~0.02%，Zr：0.50%~2.0%，Ho：0.25%~0.30%，Co：0.20%~0.50%，Sb：0.02%~0.03%，其余为Fe。本发明所制备的合金材料硬度高，耐高温，抗压强度高，抗蠕变性能好。

Description

一种飞机发动机风扇叶片用合金
技术领域
本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种飞机发动机风扇叶片用合金。
背景技术
航空发动机技术是大国地位的体现，是现代航空技术的战略制高点，是大国之间综合国力的反映。发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长，发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响，而且发动机技术具有良好的军民两用特性，对国防和国民经济有重要意义。
在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志航空发动机的特点是体积小，功率大，各部件的工作条件严酷，特别是转动件在不同的温度、载荷、环境介质下工作，大多须用比强度高、耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造。航空发动机的使用期限不尽相同，所用材料的组织和性能须保持长时间稳定。航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造；后期为适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要，钛合金、高温合金和复合材料相继得到应用。涡轮喷气发动机压气机的零部件工作温度一般低于650℃，要求用比强度和疲劳强度高、抗冲击和耐腐蚀的材料制造。离心式压气机的叶轮使用高强度铝合金。轴流式压气机的前风扇叶片用钛合金。低压转子的轮盘和叶片用钢和铝合金，发展趋势是全部用钛合金。高压转子的轮盘和叶片用耐热钢，发展趋势是用高温合金。
发动机风扇叶片合金材料的质量好坏将直接影响到飞行安全和飞机的使用寿命，如何研发出高质量的发动机风扇叶片合金，以适应航空业发展的需求，是本行业技术人员所面临的一大难题。
发明内容
为了克服上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种飞机发动机风扇叶片的合金材料，具有优良的抗腐蚀性能，耐高温，机械强度高，抗蠕变性能好，有效地解决了上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：
一种飞机发动机风扇叶片用合金，采用单质经过高温冶炼而成，所述合金材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.01%~0.10%，B：0.01%~0.08%，Mn：0.06%~0.15%，Ti：1.0%~3.0%，Mo：0.01%~0.04%，W：5%~15%，Cu：0.21%~0.30%，Ni：9.0%~12.0%，Cr：18.0%~21.0%，Nb：0.10%~0.20%，Ta：0.01%~0.02%，Re：0.01%~0.02%，Sr：0.015%~0.040%，Zn：0.31%~0.42%，Mg：8.0%~11.0%，La：0.01%~0.03%，Zr：0.50%~3.0%，Ho：0.20%~0.30%，Co：0.10%~0.50%，Sb：0.01%~0.03%，其余为Fe。
进一步的，所述Ru的质量百分比含量为：0.01%~0.02%。
进一步的，所述Zr的质量百分比含量为：0.50%~2.0%。
进一步的，所述Ho的质量百分比含量为：0.25%~0.30%。
进一步的，所述Co的质量百分比含量为：0.20%~0.50%。
进一步的，所述Sb的质量百分比含量为：0.02%~0.03%。
进一步的，所述合金材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.10%，B：0.08%，Mn：0.09%，Ti：3.0%，Mo：0.03%，W：10%，Cu：0.30%，Ni：11.0%，Cr：20%，Nb：0.15%，Ta：0.014%，Re：0.016%，Sr：0.040%，Zn：0.41%，Mg：10.0%，Ru：0.01%，Zr：1.0%，Ho：0.25%，Co：0.4%，Sb：0.03%，其余为Fe。
本发明的另一个目的，在于提供一种飞机发动机风扇叶片用合金的制备方法，制作方法具体为：将合金原料Sc、Mn、Ti、Li、Sn、Cu、Ni、Cr、Y、La、Tb、Dy、Ho、Eu、Er、Zn、Pb、Mg、Al单质在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。。
以下，对本发明中采用的合金材料的化学元素成分的限定理由进行说明，成分组成中涉及的% 指质量%。
C：0.01%~0.10%，合金中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，碳量高还会降低合金的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加合金的冷脆性和时效敏感性。为适应航空条件及发动机的特殊需求，本发明将C含量规定为0.01%~0.10%，优选为0.10%。
B：0.01%~0.08%，合金中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。为适应航空条件及发动机的特殊需求，本发明将B含量规定为0.01%~0.08%，优选为0.08%。
Mn：0.06%~1.5%，Mn是一种弱脱氧剂合金中添加Mn，不但有利于合金的抗蚀性，而且还能使合金的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善合金的抗腐蚀性能和焊接性能。随着Mn含量增加，合金强度有所提高，为适应航空条件，本发明将Mn含量规定为0.06%~1.5%，优选为0.09%。
Ti：1.0%~3.0%，钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。考虑到航空条件及发动机的特殊需求，本发明将Ti含量规定为1.0%~3.0%，优选为3.0%。
Mo：0.01%~0.04%，钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。为适应航空条件及发动机的特殊需求，将 Mo规定为0.01%~0.04%，优选为0.03%。
W：5%~15%，钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。考虑到航空的具体实际，适应航空条件及发动机的特殊需求，本发明将W含量规定为5%~15%，优选为10%。
Cu：0.21%~0.30%，铜和铝组成固溶体，增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。为适应航空条件及发动机的特殊需求，本发明将Cu含量规定为0.21%~0.30%，优选为0.30%。
Ni：9.0%~12.0%，镍在合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍能减少合金对模具的熔蚀，提高合金的焊接性能。为适应航空气候条件及发动机的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为9.0%~12.0%，优选为11.0%。
Cr：18.0%~21.0%，Cr在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。本发明将合金材质中Cr含量规定为18.0%~21.0%，优选为20%。
Nb：0.10%~0.20%，铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。为适应航空气候条件及及发动机的特殊需求，本发明将合金材料中Nb含量规定为0.10%~0.20%，优选为0.15%。
Ta：0.01%~0.02%，Ta是强碳化物形成元素，Ta的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于Ta具有良好的热强性，因此，Ta在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用，提高了钢的热强性。为适应航空气候条件及及发动机的特殊需求，本发明将合金材料中Ta含量规定为0.10%~0.20%，优选为0.014%。
Re：0.01%~0.02%，铼能够同时提高钨、钼、铬的强度和塑性，为适应航空气候条件及及发动机的特殊需求，本发明将合金材料中Re含量规定为0.01%~0.02%，优选为0.016%。
Sr：0.015%~0.040%，Sr有很强的吸收X射线辐射功能和独特的物理化学性能，可以防止高空中的宇宙射线对飞机的伤害，考虑到发动机的特殊需求，本发明将合金材料中Sr含量规定为0.015%~0.040%，优选为0.040%。
Zr：0.50%~3.0%，Zr是冶炼过程中的除氧、硫、磷剂，Zr能提高钢的强度与硬度，尤其是钢的持久强度及改善钢的焊接性能，考虑到发动机的特殊需求，本发明将合金材料中Sr含量规定为0.50%~3.0%，优选为1.0%。
La：0.10%~0.03%，Ho：0.20%~0.30%。La、Ho是稀土元素，稀土元素加入铝合金中，能够提高合金材料的机械强度和抗腐蚀性，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响；使制备的铝合金具有好的高温强度和长期抗蠕变性能。本发明将合金中La含量规定为0.10%~0.03%，优选为0.01%；Ho为0.20%~0.30%，优选为0.25%。
Mg：8.0%~11.0%，在合金中加入少量的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。含镁的合金具有优良的耐蚀性。为适应航空气候条件及发动机要求，本发明将合金材料中Mg含量规定为8.0%~11.0%，优选为10.5%。
Zn：0.31%~0.42%，Zn在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围中。含锌量很高的铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好，为适应航空气候条件及发动机要求，本发明将合金材料中Zn含量规定为0.31%~0.42%，优选为0.38%。
Co：0.10%~0.50%，Co可以提高和改善钢的高温性能，增加其红硬性，提高钢的抗氧化性和耐蚀性能等。为适应航空气候条件及发动机要求，本发明将合金材料中Co含量规定为0.10%~0.50%，优选为0.40%。
Sb：0.01%~0.03%，在钢中加入一定量的锑，会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。为适应航空气候条件及发动机要求，本发明将合金材料中Sb含量规定为0.01%~0.03%，优选为0.03%。
本发明的优点是：
本发明所提供的合金不但具有很好的机械强度，并且大幅度地提高了铝合金的抗腐蚀性，更加符合航空作业的飞机发动机风扇叶片材质需求。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，用来对本发明作进一步详细说明。
实施例1
原料组分：硼：0.08%，锰：0.09%，钛：3.0%，钼：0.03%，钨：10%，铜：0.30%，镍：11.0%，铬：20%，铌：0.15%，钽：0.014%，铼：0.016%，锶：0.040%，锌：0.41%，镁：10.0%，镧：0.01%，锆：1.0%，钬：0.25%，钴：0.4%，锑：0.03%，其余为铁。
制作方法：将原料Sc、Mn、Ti、Li、Sn、Cu、Ni、Cr、Y、La、Tb、Dy、Ho、Eu、Er、Zn、Pb、Mg、Al单质在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。
实施例2
原料组分：硼元素：0.01%，锰元素：0.06%，钛元素：1.0%，钼元素：0.01%，钨元素：5%，铜元素：0.21%，镍元素：9.0%，铬元素：18.0%，铌元素：0.15%，钽元素：0.01%，铼元素：0.01%，锶元素：0.015%，锌元素：0.31%，镁元素：8.0%，镧元素：0.01%，锆元素：0.5%，钬元素：0.20%，钴元素：0.10%，锑元素：0.01%，以及余量的铁元素。
制作方法：将原料Sc、Mn、Ti、Li、Sn、Cu、Ni、Cr、Y、La、Tb、Dy、Ho、Eu、Er、Zn、Pb、Mg、Al在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。
实施例3
原料组分：硼元素：0.08%，锰元素：0.15%，钛元素：3.0%，钼元素：0.04%，钨元素：15%，铜元素：0.30%，镍元素：12.0%，铬元素：21.0%，铌元素：0.20%，钽元素：0.02%，铼元素：0.02%，锶元素：0.04%，锌元素：0.42%，镁元素：11.0%，镧元素：0.03%，锆元素：3.0%，钬元素：0.30%，钴元素：0.50%，锑元素：0.03%，以及余量的铁元素。
制作方法：将原料Sc、Mn、Ti、Li、Sn、Cu、Ni、Cr、Y、La、Tb、Dy、Ho、Eu、Er、Zn、Pb、Mg、Al在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。
实施例4
原料组分：硼元素：0.04%，锰元素：0.11%，钛元素：2.0%，钼元素：0.025%，钨元素：10%，铜元素：0.26%，镍元素：10.5%，铬元素：19.5%，铌元素：0.15%，钽元素：0.015%，铼元素：0.015%，锶元素：0.03%，锌元素：0.37%，镁元素：10.0%，镧元素：0.015%，锆元素：1.25%，钬元素：0.28%，钴元素：0.35%，锑元素：0.025%，以及余量的铁元素。
制作方法：将原料Sc、Mn、Ti、Li、Sn、Cu、Ni、Cr、Y、La、Tb、Dy、Ho、Eu、Er、Zn、Pb、Mg、Al在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。
实验例1
将本发明实施例1~4所制飞机发动机叶片合金材料与普通飞机发动机叶片材料的基本金属特性相比较，其性能结果如下表1。
表1基本金属特性性能比较
由上述试验例可见，本发明合金材料的各项性能均高于普通飞机发动机叶片材料，更加适合用于飞机发动机叶片材料。
以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种飞机发动机风扇叶片用合金，采用单质经过高温冶炼而成，其特征在于，所述合金的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.01%~0.10%，B：0.01%~0.08%，Mn：0.06%~0.15%，Ti：1.0%~3.0%，Mo：0.01%~0.04%，W：5%~15%，Cu：0.21%~0.30%，Ni：9.0%~12.0%，Cr：18.0%~21.0%，Nb：0.10%~0.20%，Ta：0.01%~0.02%，Re：0.01%~0.02%，Sr：0.015%~0.040%，Zn：0.31%~0.42%，Mg：8.0%~11.0%，La：0.01%~0.03%，Zr：0.50%~3.0%，Ho：0.20%~0.30%，Co：0.10%~0.50%，Sb：0.01%~0.03%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述La的质量百分比含量为0.01%~0.02%。
3.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述Zr的质量百分比含量为0.50%~2.0%。
4.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述Ho的质量百分比含量为0.25%~0.30%。
5.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述Co的质量百分比含量为0.20%~0.50%。
6.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述Sb的质量百分比含量为0.02%~0.03%。
7.根据权利要求1所述合金，其特征在于，所述合金材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.10%，B：0.08%，Mn：0.09%，Ti：3.0%，Mo：0.03%，W：10%，Cu：0.30%，Ni：11.0%，Cr：20%，Nb：0.15%，Ta：0.014%，Re：0.016%，Sr：0.040%，Zn：0.41%，Mg：10.0%，La：0.01%，Zr：1.0%，Ho：0.25%，Co：0.4%，Sb：0.03%，其余为Fe。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述合金的制作方法，其特征在于，制作方法具体为：将合金原料C、B、Mn、Ti、Mo、W、Cu、Ni、Cr、Nb、Ta、Re、Sr、Zn、Mg、La、Zr、Ho、Co、Sb单质在真空条件下熔融，冷却后得到合金材料成品。
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