高溫合金材料的應用與發(fā)展

1、 高溫合金材料的應用與發(fā)展分析李桃山 王保山 南昌航空大學飛行器工程學院100631班：10號 南昌航空大學飛行器工程學院100631班：20號摘 要： 本文主要介紹高溫合金材料的定義及加工特點，通過了解合金的使用范圍及選擇標準，使更好的發(fā)展運用在各個領域。隨著工業(yè)技術的發(fā)展。要求使用具有耐更高溫度下的疲勞、蠕變、熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能的高溫材料，以適應先進設備（主要是航空運用）的設計要求，因此近半個多世紀以來人們從未停止過對的各種高溫合金材料研發(fā)。從我國高溫材料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀分析認為，我們應該發(fā)揚民主, 軍民結合, 發(fā)揚全國一盤棋的精神, 形成一個和諧的集體，使我國高溫合金體系建立在一個更

2、堅實的基礎上。關鍵字：高溫合金材料 合金分類 應用 合金發(fā)展前景 選擇標準前 言： 高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強性和高比強度，在航空發(fā)動機上獲得了廣泛的應用。類似的高溫合金材料在未來很長的一段時間應該是王牌型材料，在科技日新月異的今天，對高溫合金材料的研究與來發(fā)具有很高的實際意義與戰(zhàn)略意義。未來的航空航天飛行器及其推力系統(tǒng)，要求發(fā)展比現(xiàn)有的Ti64和Ti6242合金的強度、工作溫度和彈性模量更高，密度更小，價格更低的高溫合金材料，因此，高溫合金材料的是航空材料的發(fā)展主流。一、高溫合金材料的定義及加工特點高溫合金定義：高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金

3、屬材料。并具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。高溫合金加工特點對于鎳合金、鈦合金以及鈷合金等高溫合金來說，耐高溫的特性直接提高了加工難度。在加工時的重切削力和產(chǎn)生的高溫共同作用下，使刀具產(chǎn)生碎片或變形，進而導致刀具斷裂。此外，大多數(shù)此類合金都會迅速產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。工件在加工時產(chǎn)生的硬化表面會導致刀具切削刃在切深處產(chǎn)生缺口，并使工件產(chǎn)生不良應力，破壞加工零件的幾何精度。加工鈦合金同樣面臨這些問題。盡管加工鈦合金所需的切削力只比鋼稍微高一點，但由于鈦合金的特殊性能，使加工它比加工

4、同等硬度的鋼要困難得多。主要有以下幾點：1）鈦合金和其它高溫合金一樣，也容易產(chǎn)生加工硬化；2）鈦基合金導熱能力很低，使加工時產(chǎn)生的所有熱量幾乎都集中在切削刃上；3）鈦合金的彈性模量很小，尤其是在重切削力時，使工件容易受刀具偏移和震動的影響；4）最嚴重的是鈦合金比其它高溫合金化學性能都要活潑，這一點使鈦合金工件在加工時很容易與刀具發(fā)生化學反應，從而導致工件產(chǎn)生縮孔。 因為以上原因，加工耐高溫合金需要特殊的加工技術，這里就不詳細列出。二、合金使用范圍及選擇標準 在540 815高強度應用場合主要采用析出強化合金。這些合金體系均包含通過鎳、鋁、鈦或鈮的析出物(Ni3 Al、Ni3 Ti、Ni3 Nb

5、)以及固溶強化元素(如Mo)加以強化的奧氏體基體。 當析出物過剩并隨溫度升高開始溶解時,說明這些合金已達到溫度極限。但是,通過增加析出成形元素(Ti、Al、Nb) ,可以提高其耐熱性。此外,還必須持續(xù)增加鎳含量,以形成金屬間析出物,并穩(wěn)定合金含量更高的奧氏體結構。還可以添加鈷元素,降低析出物的溶解傾向。添加鎢和鉬等難熔元素,可提高高溫硬度。所有這些添加元素可改善耐熱性能,但亦使合金成本大幅提高。 選擇合金取決于力學性能要求(即強度、蠕變、疲勞)以及最高使用溫度。典型高溫合金的成分、力學性能和使用溫度上限分別見表1、表2。 A - 286合金屬于奧氏體析出硬化型高溫合金,在最高620下可長期工作

6、并具有中等強度。A - 286的名義鎳含量為25% ,成本較低。 按耐熱性能的升序排列,其他常用合金有901、718、X750、751、Waspaloy和Pyromet 41與720合金。表1所示為本系列材料逐漸增加的合金含量。 Pyromet 718合金也許是最通用的高溫合金,在675具有高強度和抗蠕變性,且這兩種特性在 最高760下,均達合理水平,其抗疲勞特性極其優(yōu)越。 Waspaloy合金主要用于溫度超出675時和最高溫度在760時需達至超蠕變的情況。由于它的鎳和鈷含量更高,故其成本較高。Waspaloy是渦輪部件、鍛模緊固件和鋼模鍛造等的理想之選。 高溫合金的發(fā)展已很成熟,根據(jù)具體需求

7、發(fā)展現(xiàn)有合金,比開發(fā)新型合金更為經(jīng)濟。合金生產(chǎn)工藝及控制技術日新月異,為合金性能的發(fā)展開辟了新的天地。三、高溫合金分類及其應用 1、高溫合金又叫熱強合金、超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鉻基。 鐵基高溫合金此類合金又分為固溶強化合金和時效硬化合金。時效硬化合金包括PyrometA - 286、901、V - 57、CTX - 1、CTX - 909合金和Thermo - Span合金。這些合金均包含鈮及(或)鈦和鋁。經(jīng)固溶時效硬化處理后,在595705下具備良好的強度與硬度。 鎳基高溫合金此類合金又分為非時效硬化合金和時效硬化合金。含鉻量約20%,而鎳含量為50% 80%。典型

8、的時效硬化合金有:Waspaloy、Pyromet 720、和Pyromet 41、80A、X - 750和751合金,這些合金的適用溫度最高為870。固溶強化合金( Pyromet 102、680和625合金) 最高工作溫度達1 205。 鈷基高溫合金此類合金的代表是L - 605。除含有鎳、鐵、鉻和鎢外,其鈷含量達50%;它屬展延性合金,工作溫度最高約1 040;此類合金還包括MP159和188合金。此類合金尤其適用于需耐硫腐蝕的環(huán)境。 2、按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金與鑄造高溫合金。按強化機理可分為碳化物強化、固溶強化、時效強化和彌散強化。（1）鑄造高溫合金 鑄造高溫合金及制品主要以航空

9、、航天發(fā)動機，地面燃機等動力機械為服務對象，其發(fā)展主要以動力機械需求為牽引。鑄造高溫合金及制品對原材料要求高，制備工藝復雜，產(chǎn)品質量控制嚴格，行業(yè)準入門檻高，國內(nèi)外具有研制和生產(chǎn)鑄造高溫合金能力的企業(yè)數(shù)量有限。 近年來，國內(nèi)外鑄造高溫合金發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：1）在等軸晶方面不再投入大量的人力和物力進行新合金的研制，而是通過工藝水平的提高，挖掘合金的潛能，提高等軸晶鑄件的使用性能，因而高性能等軸晶的發(fā)展是一個重要的方向。 2）目前各種先進鑄件制造技術和設備在不斷開發(fā)和形成，如細晶工藝、熱控凝固、真空離心鑄造技術等，許多大型復雜結構高溫合金鑄件制造成功，并付諸應用，特別是越來越呈現(xiàn)出材料和工藝互相

10、影響和促進的趨勢。發(fā)達國家在鑄造高溫合金材料上將集中于少數(shù)極端工作條件的關鍵需求上，如適用于超高溫、大應力、富氧或腐蝕環(huán)境等。同時，繼續(xù)開發(fā)新技術，并提高現(xiàn)有技術的控制水平，從而提高各種高溫合金鑄件產(chǎn)品的質量一致性和可靠性。3）定向、單晶高溫合金研究方興未艾，新型合金不斷涌現(xiàn)，定向凝固合金已出現(xiàn)三代，單晶合金發(fā)展到5代，材料本體承溫能力達到1200，基本達到此類材料的極限。（2）變形高溫合金 變形高溫合金在國內(nèi)外發(fā)展基本比較平穩(wěn)，美國變形高溫合金年產(chǎn)量約4萬噸左右，我國約5000噸左右。變形高溫合金在航空發(fā)動機中至今仍然是主要用材，隨著其他產(chǎn)品的日益成熟，變形高溫合金的用量可能會有所減少，但這

11、個過程比較漫長。而且，通過改進現(xiàn)有變形高溫合金的綜合性能、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低制造成本，變形高溫合金至少在數(shù)十年內(nèi)仍是航空發(fā)動機的主要用材。目前，國內(nèi)的變形高溫合金使用可分為兩大類： 一是軍用，主要用戶為航空、航天、艦用等領域，軍品的特點是高牌號、高使用性能、高精度、種類規(guī)格繁多。 二是民用，主要在石油化工、能源動力、冶金與環(huán)保等諸多民用工業(yè)領域廣泛應用，尤其是近幾年來，隨著產(chǎn)品的升級換代，高溫服役的部件使用溫度提高，許多原先使用耐熱鋼、不銹鋼部件都逐漸使用高溫合金和耐蝕合金取代，對高溫合金及耐蝕合金的需求量非常大。民用變形高溫合金產(chǎn)品種類主要有不同規(guī)格的鍛棒、軋棒、板材、帶材、絲材、管材等。（

12、3） 新型高溫合金 新型高溫合金包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化（ODS）高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細分產(chǎn)品領域。 1）粉末高溫合金處于第三階段，同時具有高強度、高使用溫度及高抗裂紋擴展能力，粉末高溫合金材料及制件已經(jīng)在國外獲得了廣泛的應用。 2）鈦鋁系金屬間化合物的各個合金均在我國航空、航天和兵器領域開始應用，應用進展明顯快于國外。 3）氧化物彌散強化（ODS）高溫合金主要用于航空航天等軍工領域。 4）耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，目前在化纖等領域已經(jīng)得到廣泛應用。 5）粉末冶金及納米材料固體自潤滑軸承、新型耐磨高韌性硬質合金、新型高溫固

13、體自潤滑密封件等已經(jīng)在相關行業(yè)逐步得到推廣。四、我國高溫合金的發(fā)展與展望自1956 年第一爐高溫合金GH3030試煉成功,迄今為止,我國高溫合金的研究生產(chǎn)和應用已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷程.目前，已有GH系變形高溫合金和K系鑄造高溫合金。可以說，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主開發(fā)和研究的能力, 進行應用研究和對材料進行評估的能力以及進行故障分析的能力,可以解決航空、航天及其它工業(yè)部門生產(chǎn)和發(fā)展中所遇到的各種高溫合金材料問題。 50 多年來由于需求的推動, 全國科技人員和企業(yè)共同努力, 我國逐步形成了獨有的高溫合金體系, 其特點是牌號多, 性能相近的合金不少, 因而本來生產(chǎn)量很小, 工藝和

14、性能難以穩(wěn)定的問題更加突出. 造成這種局面的主要原因是每引進一種發(fā)動機, 就要試制一批合金, 再加我國自行研制的合金品種的不斷增加, 因而造成我國高溫合金品種的多樣化，但是最根本的原因是我們對每個合金的深入研究不夠, 對每個合金的特點不能做出有說服力的判斷, 再加上合金研制與設計人員溝通不夠, 以及國家在這方面沒有明確的政策, 造成合金的品種增加多, 淘汰少, 從而形成當前如此局面, 這是留給高溫合金工作者和發(fā)動機設計人員的一個復雜而艱巨的任務. 應該指出, 要想合理地解決這一問題, 必須發(fā)揚民主, 軍民結合, 發(fā)揚全國一盤棋的精神, 形成一個和諧的集體，使我國高溫合金體系建立在一個更堅實的基

15、礎上。五、結束語： 高溫合金的研制與應用一直受到各國研究者的高度重視和政府的大力支持，在中國西北地區(qū)亦是如此。但國內(nèi)研制高溫合金與國外有較大差距這種差距不是在研究水平上，而是在工業(yè)化生產(chǎn)水平和應用尤其是應用上。 高溫合金發(fā)展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結晶葉片的綜合性能將得到改進。 此外，有可能采用激冷態(tài)合金粉末制造多層擴散連接的空心葉片，從而適應提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護涂層材料和工藝也將獲得進一步發(fā)展。 但是，由于高溫合金的難變形特性以及我國尚無大型擠壓機和先進的大型熱模鍛、等溫鍛造等設備, 使我國高溫合金材料的熱加工面臨很大的困難。雖然冶金學家致力于合金化提高合金的耐高溫性能，但收效甚微。 因此，進一步提高合金性能