金屬學(xué)論文-鎳基超合金的合成方法及其新發(fā)展

1、. Hefei University 論文題目：鎳基超合金的合成方法及其新發(fā)展 課程名稱： 金屬學(xué)熱處理 專業(yè)班級(jí)：15級(jí)粉體材料科學(xué)與工程(1)班 姓 名： 胡葉蓮 學(xué) 號(hào)： 1503011007 鎳基超合金的合成方法及其新發(fā)展摘要：鎳基合金是30年代后期開始研制的，英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高潛變強(qiáng)度又添加Al，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美國于40年代中期，俄羅斯于40年代后期，中國于50年代中期也先后開發(fā)出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面，即合金成分的改良和生產(chǎn)技術(shù)的革新

2、。鎳基合金一般以Ni含量超過30wt%之合金稱之，常見產(chǎn)品之Ni含量都超過50wt%， 由于具有超群的高溫機(jī)械強(qiáng)度與耐蝕性質(zhì)，與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)，一般是應(yīng)用在540以上的高溫環(huán)境，并依其使用場(chǎng)合，選用不同合金設(shè)計(jì)，多用于特殊耐蝕環(huán)境、高溫腐蝕環(huán)境、需具備高溫機(jī)械強(qiáng)度之設(shè)備。常應(yīng)用于航天、能源、石化工業(yè)或特殊電子/光電等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞： 性能 應(yīng)用 新發(fā)展正文：1、 鎳基合金的性能1、 高溫（瞬時(shí)）強(qiáng)度鎳基合金室溫下就具有較高的拉伸強(qiáng)度（TS=1200-1600,YS=900-1300MPa），且具有較好的延展性。包含利用以離子與共價(jià)鍵結(jié)，在常溫下具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)

3、度之'或''等析出相，搭配滑移系統(tǒng)多而具延展性之沃斯田鐵相基地，以復(fù)合材料之概念得到兼具強(qiáng)度塑性之優(yōu)異機(jī)械性質(zhì)。2、 潛變強(qiáng)度潛變?yōu)椴牧显诟邷?T/Tm>0.5)恒荷載作用下，緩慢地産生塑性變形的現(xiàn)象，為材料合金由于具有最佳的抗高溫潛變能力，而被廣泛的使用在各種高溫環(huán)境，作為承力件應(yīng)用。潛變變形可分為三個(gè)階段，在初步潛變(Primary Creep)階段，變形速率相對(duì)較大，但是隨著應(yīng)變的增加發(fā)生加工硬化而減慢。當(dāng)變形速率達(dá)到某一個(gè)最小值并接近常數(shù)，此時(shí)稱為第二階段潛變，或穩(wěn)態(tài)階段潛變 (Secondary  or  Steady-St

4、ateCreep)，這是由于加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)達(dá)到平衡的結(jié)果，在工程材料設(shè)計(jì)上所要求之潛變應(yīng)變率就是指這一階段的應(yīng)變率。在第三階段(Tertiary Creep)，由于頸縮現(xiàn)象，應(yīng)變率隨著應(yīng)變?cè)龃蠖手笖?shù)性的增長，最后達(dá)到破壞。3、 耐腐蝕性鎳基合金在強(qiáng)還原性腐蝕環(huán)境，復(fù)雜的混合酸環(huán)境，含有鹵素離子的溶液中都具有很好的耐蝕性，鎳基耐蝕合金可以Hastelloy合金為代表，Ni元素在晶體學(xué)上能容納較多的合金，來增進(jìn)抵抗腐蝕環(huán)境的能力；且Ni本身就具有一定的抗腐性，如對(duì)抗Cl離子的應(yīng)力腐蝕與苛性堿腐蝕具有絕佳抵抗能力。而鎳基合金中添加的鈍化多種元素可與基材相形成固溶體，提升了材料的腐蝕電位及熱力學(xué)

5、穩(wěn)定性。2、 鎳基合金的生產(chǎn)技術(shù)傳統(tǒng)之鎳基合金的生產(chǎn)流程為鎳原料 鎳合金鑄錠(熔煉)二次精煉加工成品下游鎳基合金之成分組成以Ni-Cr-Fe為主， 其它元素的添加如Cu、Si、Mn、Al、Ti、Nb、W、C等。一般從文獻(xiàn)可了解這些元素對(duì)超合金材料的影響，但若要重組或添加新的合金成份，并了解其在微組織之交互作用， 近來已有以材料性質(zhì)模擬軟件，可進(jìn)行合金系統(tǒng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，協(xié)助提供高性價(jià)比之方向，可提高合金設(shè)計(jì)的效率。而合金設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)則須由熔煉技術(shù)來完成，鎳基合金熔煉主要區(qū)分為一般品級(jí)的電爐 (Electric Arc Furnace，EAF)電渣重熔精煉 (Electro-Ala

6、g Remelting，EAR)及高品級(jí)的真空感應(yīng)熔煉(Vacuum Induction Melting，VIM)電渣重熔精煉產(chǎn)品。為了熔煉時(shí)獲得更純凈化的合金鋼液，減低氣體含量與有害元素含量；同時(shí)由于部分合金中有易氧化元素如Al、Ti等存在，以非真空方式冶煉難以控制；更是為了獲得更好的熱塑性，鎳基合金通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，甚至用真空感應(yīng)熔煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進(jìn)行生產(chǎn)。鎳基合金在加工方面常采用鍛造、軋制等方式型，對(duì)于熱塑性差的合金甚至采用擠壓開胚后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓技術(shù)。一般變形的目的是為了破碎鑄造組織，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)。鎳基合金在高

7、溫時(shí)較高之變形阻抗與熱延性的不穩(wěn)定，增加了鎳基合金制程上的困難度。一般鎳基合金強(qiáng)度高，冷、熱加工不易，以C-276為例， 高溫變形阻抗約為不銹鋼之2.4倍；且冷加工之高硬化率使得其強(qiáng)度可至不銹鋼的2倍。而熱加工時(shí)除需考慮高溫變形阻抗外，還需考慮不同溫度下熱延性之不同變形阻或夾雜物出現(xiàn)之區(qū)域)的發(fā)生與否，而不純區(qū)則會(huì)傷害合金之高溫機(jī)械性質(zhì)，3、 鎳基合金的應(yīng)用1、 鎳基合金在激光熔覆再制造中的應(yīng)用激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，與其他常用的表面工程技術(shù)相比，具有涂層結(jié)合性能好、熱影響區(qū)小、可控性高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為了一種重要的再制造技術(shù)，并在礦山、冶金、化工、能源等領(lǐng)域關(guān)鍵零件的再制造中得

8、到 了成功的應(yīng)用。鎳基合金粉末因具有很好的耐磨性、耐蝕性、抗熱疲勞性等特點(diǎn)，是在再制造工程中應(yīng)用十分廣泛的表面強(qiáng)化涂層材料。激光熔覆能在普通金屬基材上制備出高性能的合金表面，且不會(huì)影響基體性質(zhì)，能節(jié)約貴重稀有金屬材料，經(jīng)濟(jì)效益很高。其基本原理是在移動(dòng)激光束作用下，將金屬或陶瓷粉末與基體表面迅速熔化，依靠自激冷卻形成稀釋率極低、與基體材料呈冶金結(jié)合的高性能表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱等特性。2、 鎳基合金在碳鋼與不銹鋼焊接中的應(yīng)用過去通常采用309型焊接材料焊接碳鋼和不銹鋼異種鋼接頭，這種接頭在長時(shí)間高溫作用下，會(huì)造成碳的遷移，嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能。采用鎳基合金焊接材料，減少

9、了高溫下碳的遷移，可防止增碳層、脫碳層及脆化過渡層的形成，保證長時(shí)間高溫工作條件下接頭的性能。采用文中工藝參數(shù)，利用鎳基合金進(jìn)行異種鋼接頭焊接，得到的焊接接頭外觀成型良好。對(duì)焊接接頭 、進(jìn)行100射線檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、未焊透及未熔合等焊接缺陷，焊接接頭力學(xué)性能滿足使用要求。4、 鎳基合金的新發(fā)展1、 新型鎳基合金在超臨界多種離子共存環(huán)境下的腐蝕行為研究一種新型鎳基合金X-1#在550 , 23 MPa含PO4 3- , Cl- 和SO4 2- 超臨界水中分別腐蝕72, 159, 248, 429和537 h的腐蝕特性。 結(jié)合SEM, EDS, XRD和XPS等分析測(cè)試方法研究了X-1#合金氧

10、化膜和反應(yīng)釜沉積物的形貌、物相組成和元素成分分布等。結(jié)果表明, X-1#合金在該環(huán)境下形成了均勻和完整的氧化膜, 氧化膜由疏松外層和致密內(nèi)層組成, 外層主要包含NiO, Ni(OH)2和磷酸鹽, 內(nèi)層由NiCr2O4和Cr2O3組成. 腐蝕初始階段腐蝕速率較快, 248 h后腐蝕速率明顯下降, 這是由于氧化膜內(nèi)層穩(wěn)定性好且連續(xù)致密分布, 有利于X-1#合金抗高溫氧化腐蝕。(1) 經(jīng)550 ，23MPa含Na3PO4，NaCl和Na2SO4超臨界水腐蝕后，X-1#合金氧化膜外層由Ni(OH)2,NiO和Na3PO4,Ni3(PO4)2,CrPO4組成,內(nèi)層由Cr2O3 和NiCr2O4組成。(2

11、) Na3PO4在超臨界水中過飽和形成沉積,Ni3(PO4)2和CrPO4由X-1#合金溶解的金屬陽離子與酸根離子反應(yīng)形成, Ni(OH)2和NiO為金屬陽離子反 應(yīng)形成的氧化物,Cr2O3由內(nèi)層富集的Cr3+與向內(nèi)擴(kuò)散的O2-反應(yīng)生成, NiCr2O4由NiO和Cr2O3相互反應(yīng)形成.。(3) X-1#合金在超臨界水中均勻腐蝕,初始階段腐蝕速率較大，腐蝕248 h后腐蝕速率明顯降低， 這是由于氧化膜內(nèi)層Cr2O3和NiCr2O4穩(wěn)定性好，有利于合金抗高溫氧化。(4) X-1#合金氧化膜產(chǎn)物和沉積物基本一致，但沉積物中還包含MoO2. MoO2為X-1#合金表面氧化產(chǎn)物，在高溫高壓下?lián)]發(fā)并沉積

12、在反應(yīng)釜中，對(duì) X-1#合金的抗氧化性無顯著作用。2、 鎳基高溫合金的發(fā)展鎳基高溫合金是以鎳為基體(含量一般大于50)、在6501000范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。它是在Cr20Ni80合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為了滿足1000左右高溫?zé)釓?qiáng)性(高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、高溫疲勞強(qiáng)度)和氣體介質(zhì)中的抗氧化、抗腐蝕的要求，加入了大量的強(qiáng)化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保證其優(yōu)越的高溫性能。除具有固溶強(qiáng)化作用，高溫合金更依靠Al、Ti等與Ni形成金屬問化合物相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出強(qiáng)化和部分細(xì)小穩(wěn)定MC、M23C6碳化物的晶內(nèi)彌散強(qiáng)化以及B、Zr、

13、Re等對(duì)晶界起凈化、強(qiáng)化作用。2.1鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì) 從用途和發(fā)展的角度分析，鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)必向高強(qiáng)度、抗熱腐蝕性、密度小的方向發(fā)展。 (1)追求高強(qiáng)度。通過添加適量的Al、Ti、Ta，保證強(qiáng)化相的數(shù)量加人大量的W、Mo、Re等難熔金屬元素，也是提高強(qiáng)度的有效途徑。但是為了維持良好的組織穩(wěn)定性，不析出、等有害相，而在新一代合金中通過加入Ru來提高合金的組織穩(wěn)定性。 (2)發(fā)展抗熱腐蝕性能優(yōu)越的單晶合金。通過添加適量的W、Ta等難熔金屬，保證高的Cr含量。 (3)發(fā)展密度小的單晶合金。從航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的角度考慮，密度大的合金難有作為，特別是對(duì)

14、動(dòng)葉片，在非常大的離心力下是不適合的。為此，要發(fā)展密度小的單晶高溫合金，如CMSX-6、RR2000、TMS-61、A 3、ONERA M-3等，其中的RR2000單晶合金實(shí)際上是在IN100(K17)合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，密度為7.87gcm310?？偨Y(jié)：近年來，全球鎳基合金產(chǎn)量將持續(xù)增加，尤其以石化用之EAF等級(jí)及能源/航天用之VIM等級(jí)鎳基合金之需求量的增加最為明顯，其中又以亞洲市場(chǎng)的成長最為迅速，在航天、能源方面之應(yīng)用將大幅增加。臺(tái)灣地區(qū)之鎳基合金產(chǎn)業(yè)主要分為接受國外廠商委托之精加工回銷，與能源、石化廠建廠兩大類，其中又以后者產(chǎn)值較大。由于臺(tái)灣之鎳基合金在與關(guān)鍵技術(shù)之開發(fā)與工業(yè)產(chǎn) 品之生產(chǎn)尚處于發(fā)展中之階段，因應(yīng)能源、節(jié)能環(huán)保、生醫(yī)等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為協(xié)助下游取得高端材料，并提升金屬產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭力，中鋼已于2011年結(jié)盟華新，結(jié)合華新精煉能量與中鋼軋延優(yōu)勢(shì)，已成立中鋼精密鍛材公司，投入鈦合金、鎳基合金、及模具鋼等高端特殊合金的生產(chǎn)，并希望與國內(nèi)業(yè)界伙伴攜手合作，期能為國內(nèi)金屬產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與發(fā)展共創(chuàng)佳績。參考文獻(xiàn)：1 孫咸珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接材料的選擇與應(yīng)用J.機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2013(4):17-