高溫合金簡(jiǎn)述

鎳基高溫(gāowēn)合金共十五頁(yè)21.高溫(gāowēn)合金簡(jiǎn)介高溫合金是指能在600℃-1200℃高溫下仍能保持設(shè)計(jì)要求(yāoqiú)正常工作的金屬材料，它在高溫下具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變和良好的疲勞特性。高溫合金特點(diǎn)：耐高溫具有較高的強(qiáng)度具有良好的疲勞性質(zhì)具有較高的斷裂韌度具有良好的組織穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的抗氧化抗熱腐蝕性能具有可靠的使用性能共十五頁(yè)3

高溫合金分類(lèi)：

變形高溫合金按制造工藝

鑄造(zhùzào)高溫合金

粉末冶金

鐵基高溫合金按合金主要元素鎳基高溫合金

鈷基高溫合金

固溶強(qiáng)化按強(qiáng)化方式時(shí)效強(qiáng)化氧化物彌散強(qiáng)化晶界強(qiáng)化共十五頁(yè)4

鎳基高溫(gāowēn)合金優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)：成本低，可用于一些使用溫度較低的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)的渦輪盤(pán)、導(dǎo)向葉片，以及一些承力件和緊固件。缺點(diǎn)：組織不夠穩(wěn)定；抗氧化性差；工作溫度較低鐵基高溫合金優(yōu)點(diǎn)：可溶解較多的元素，具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度和抗腐蝕性，工作溫度較高。缺點(diǎn)：疲勞性能稍差，塑性較低鈷基高溫合金優(yōu)點(diǎn)：較高溫度下仍具有高強(qiáng)度和抗熱疲勞性能缺點(diǎn)：中低溫工作性能不如前兩種高溫合金共十五頁(yè)52.鎳基高溫(gāowēn)合金圖2.1為20世紀(jì)(shìjì)40年代后的鎳基高溫合金及其工藝的發(fā)展過(guò)程[1]。Fig.2.1DevelopmentofNi-basesuperalloys共十五頁(yè)6

鎳基高溫合金的基本組織類(lèi)型有：奧氏體基體（高度合金化固溶體）；彌散分布于基體中的碳化物或金屬間化合物相，如γ′相[Ni3（Al,Ti）]和γ"相（NiNb，NiTa）；或高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物質(zhì)點(diǎn)（由粉末冶金或機(jī)械(jīxiè)合金化方法制得）[2]。圖2.2為GH4169的金相顯微組織結(jié)構(gòu)圖。Fig.2.2MicrostructureofsuperalloyGH4169共十五頁(yè)7鎳元素具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)從室溫至熔點(diǎn)的溫度區(qū)間內(nèi)始終保持面心立方結(jié)構(gòu)不變，同時(shí)，許多合金元素都可以固溶到鎳基材料中進(jìn)行充分的合金化，因此鎳具有作為高溫合金基體元素的優(yōu)越屬性，同時(shí)鎳基高溫合金中可以析出L12結(jié)構(gòu)γ′相，這是鎳基高溫合金中最有效的強(qiáng)化方式，使得鎳基高溫合金具有優(yōu)良的綜合性能。在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域中，鎳基高溫合金占有重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更高的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(ránqìlúnjī)的熱端部件材料。在目前的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，鎳基高溫合金的使用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的一半以上[3]。共十五頁(yè)8鎳基高溫合金的可加工性取決于決定合金耐熱強(qiáng)度的化學(xué)元素。組成鎳基合金基體成分之一的鎳，并不影響可加工性。

鎳基高溫合金中的硼和鈰起強(qiáng)化晶界的作用，帶來(lái)了加工性的變壞。鈦和鋁會(huì)和鎳元素(yuánsù)形成金屬γ'相－Ni3（Al、Ti），鈦和鋁的含量增加導(dǎo)致γ'強(qiáng)化相的增加，合金中金屬間γ'相的增加提高了合金塑性變形時(shí)的抗剪切強(qiáng)度及金屬加工過(guò)程中的切削溫度。此外，合金中γ'相的增加也增加了粘附抗剪切強(qiáng)度和合金的抗磨蝕作用[4]，從而降低了鎳基高溫合金的切削性能。共十五頁(yè)93.單晶高溫(gāowēn)合金普通鑄造多晶高溫合金中和應(yīng)力軸垂直的晶界是高溫變形的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋極易在此萌生并成為裂紋擴(kuò)展的通道。如果晶界與應(yīng)力主軸方向平行，高溫下作用在晶界上的應(yīng)力將會(huì)最小，從而抑制裂紋形核增加蠕變持久壽命。在這種思路下，逐漸研究出具有優(yōu)異的中、高溫蠕變持久強(qiáng)度和塑性，而且具有優(yōu)異熱疲勞性能的單晶高溫合金。單晶高溫合金的高強(qiáng)度是多種強(qiáng)化(qiánghuà)機(jī)制和多種元素共同作用的結(jié)果。共十五頁(yè)10

單晶高溫(gāowēn)合金的成分特點(diǎn)：C,B,Hf從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量(xiànliàng)使用”。微量(~0.1%)的Hf可以提高涂層壽命和抗氧化/腐蝕性能。C元素具有凈化合金溶液，對(duì)抗腐蝕性能也有好處。難熔元素(Ta,Re,W,Mo)的加入總量增加Ta增加γ/γ'錯(cuò)配度、強(qiáng)化γ'相和提高其高溫穩(wěn)定性。Ta元素的加入使的合金的壞境性能、涂層性能、鑄造性能和組織穩(wěn)定性都得到改善[5]Re在基體中形成Re原子團(tuán)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低合金元素?cái)U(kuò)散速率，阻止γ'相粗化，并提高γ/γ'錯(cuò)配度。Cr含量降低Cr元素對(duì)合金的抗熱腐蝕性能具有非常重要的影響；Cr含量降低，就允許加入更多其它的有助于提高合金性能的元素，而且仍能保持組織的穩(wěn)定，對(duì)合金性能的提高極為有利。Co的作用固溶強(qiáng)化和增加γ'相數(shù)量，同時(shí)改善合金的塑形以及熱加工性能，并對(duì)合金組織穩(wěn)定性有一定的提高。Co在γ相中有較大的固溶度，能夠降低基體的層錯(cuò)能，使得合金的持久強(qiáng)度和抗蠕變能力顯著提高。共十五頁(yè)11

Kakehi[6]發(fā)現(xiàn)鎳基單晶高溫合金在蠕變過(guò)程中表現(xiàn)出拉壓不對(duì)稱性，但不同于屈服(qūfú)強(qiáng)度的不對(duì)稱性，其不對(duì)稱性被歸結(jié)為是否產(chǎn)生孿晶。[001]和[011]取向均可產(chǎn)生孿晶，因而持久性能具有拉壓不對(duì)稱性，而[111]方向的持久過(guò)程只與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，所以無(wú)此特征。單晶高溫合金具有各向異性，即蠕變性能與晶體取向密切相關(guān)。共十五頁(yè)124.鎳基高溫(gāowēn)合金的應(yīng)用鎳基高溫(gāowēn)合金可以用來(lái)制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶、工業(yè)和車(chē)輛用燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如工作葉片、渦輪盤(pán)和燃燒室等。共十五頁(yè)13參考文獻(xiàn)[1]ReedRC.TheSuperalloysFundamentalsandApplications.London:CambridgeUniversityPress,2006.[2]LiuG.,HeN.,LiL.andManZ.L.CuttingforcesduringthehighspeedmachiningofInconel718.KeyEngineeringMaterials,2004,259-260:824-828.[3]TreaM.Pollock,SammyTin.Nickel-BasedSuperalloysforAdvancedTurbineEngines:Chemistry,Microstructure,andProperties.JournalofPropulsionandPower,2006,22(2):361~374.[4]ChoudhuryI.A.andEl-Baradie.M.A.Machinabilityassessmentofinconel718byfactorialdesignofexperimentcoupledwithresponsesurfacemethodology.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,95:30-39.[5]JianZhang.EffectofTiandTaonhotcrackingsusceptibilityofdirectionallysolidifiedNi-basedsuperalloyIN792.ScriptaMaterialia,2003,48(6):677~681.[6]D.Leidermark,J.J.Moverare,S.Johansson,K.Simonsson,S.Sj?str?m.Tension/compressionasymmetryofasingle-crystalsuperalloyinvirginanddegradedcondition.ActaMaterialia,2010,58(15):4986~4997.共十五頁(yè)14