鎳基高溫合金的技術(shù)進展

1、銀基高溫合金的技術(shù)進展銀基高溫合金的工作溫度一般是8001000C,其化學性質(zhì)良好，尤其是具有高溫抗氧化和抗腐蝕性，另外還有良好的抗疲勞性。銀基高溫合金應用領(lǐng)域也比較廣泛，其中主要是在航空航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域應用，例如航空發(fā)動機、導彈等。這些領(lǐng)域的應用都對銀基高溫合金的純凈度要求較高，在加工和生產(chǎn)銀基合金的過程中極易產(chǎn)生雜質(zhì)，影響材料的純凈度，進而可能影響材料的抗腐蝕性能，同時大大降低了相關(guān)部件的使用壽命，對其適用范圍也造成了一定的限制。一、銀基高溫合金的發(fā)展歷程銀基高溫合金無疑是高溫合金領(lǐng)域中重要的一部分，這主要是基于其良好的特性。銀基高溫合金在20世紀40年代初期被發(fā)現(xiàn)并研究成功，當時是在噴

2、氣式飛機對合金性能提出了更高要求的情況下而進行研制的。1945年，英國成為第1個生產(chǎn)出銀基合金Nimomic75(Ni22Cr-1.5Ti)的國家，之后英國根據(jù)發(fā)展需要提高銀基高溫合金蠕變強度，在原有基礎(chǔ)上添加適量的鋁元素，進而研制出新型的銀基合金Nimomic84(Ni22Cr-4.5Ti)。在之后的一段時間里，美國和蘇聯(lián)相繼研制成功類似合金，我國在20世紀50年代相繼研制出幾種類似功能的合金。從銀基高溫合金的發(fā)展歷程可以看出，其主要有2個發(fā)展方向：第一是對銀基合金元素構(gòu)成的重新組合，使其更好地發(fā)揮出性能；第二是銀基高溫合金生產(chǎn)工藝的革新，不斷利用最新技術(shù)和設(shè)備對其進行研制。在20世紀50年

3、代時期，科學家經(jīng)過不斷的研制，發(fā)現(xiàn)了真空熔煉技術(shù)，這一技術(shù)的誕生和發(fā)展為銀基高溫合金的發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)上的條件；20世紀60年代，發(fā)達國家研制出的熔模精密鑄造工藝，制造了一大批具有良好高溫強度的鑄造合金；之后的幾年內(nèi)，相繼制造出了性能更好、更穩(wěn)定的單晶高溫合金，甚至在這段時間里還研制出了粉末冶金高溫合金；而航空航天技術(shù)的發(fā)展，對高溫合金提出了更高要求（抗熱腐蝕性能較好和組織穩(wěn)定）3-4。在從20世紀50年代初到90年代末的40年時間內(nèi)，隨著銀基高溫合金的發(fā)展，其工作溫度不斷得以提高，從而進一步提高了它的適用范圍。二、銀基高溫合金的強化機理及組織特點銀基合金是高溫合金中應用范圍最為廣泛的一種合金，

4、同時也是同類中高溫性能最好的一種合金，尤其是在同等高溫條件下的性能遠高于其他合金。其主要的化學性能有以下幾點：第一，銀基合金中可以溶解多種的合金元素，這就對其性能的改善甚至增強起到了很大的幫助，另外銀基合金還有較強的組織穩(wěn)定性，在特殊環(huán)境下應用效果良好；第二，銀基合金具有較強的抗氧化和抗腐蝕能力，尤其是含銘的合金其性能更是強于其他類型，例如鐵基高溫合金。1 .固溶強化對銀基高溫合金性能強化的主要手段是添加適量的固溶強化元素，利用這些元素自身的特性改造高溫合金性能。固溶強化型合金有著優(yōu)良的抗氧化和抗疲勞性能，最突出的優(yōu)點是組織穩(wěn)定性，同時還有較好的可塑性?；谶@些特性，銀基高溫合金可用于生產(chǎn)工作

5、溫度較高的金屬零部件，如發(fā)動機的扇葉。鎮(zhèn)的原子半彳圣和鴇、鋁等合金元素的原子半徑基本一致，基于這些特性，可使銀同時溶解大量的鴇、鋁和鉆等合金元素，卻不會出現(xiàn)新的相。根據(jù)目前的研究表明：常見金屬的一般固溶溫度范圍可以明顯界定，一般在10501560c之間。美國曾經(jīng)研制出一種性能優(yōu)良的固溶強化型合金一一銀基變形高溫合金Haynes280,這種合金不僅具有較強的工作溫度，同時在1400C的高溫時，其強度可達165MPa、延伸率可達87%這主要是因為在合金中加入了難熔金屬元素，例如鴇和銘等元素；同時為了阻礙晶粒的發(fā)展和強化晶界，在研制過程中添加少量的碳元素以形成碳化物達到強化的目的。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的類

6、似合金在1400c的高溫強度條件下其強度僅為85MPa左右，與國外相比存在一定的差距。2 .沉淀強化現(xiàn)階段，各國提高銀基高溫合金的強度和硬度的方式基本一致，對銀基高溫合金添加一定量的沉淀強化元素可以使合金在時效時析出YNi5（Al,Ti）相，大大提高了金屬的強度，同時也會極大促進高溫合金硬化的工作。在添加少量金屬元素之后析出的細小彌散可以有效地阻止晶粒的生長。止匕外，通過添加一定量的稀土可以極大的改善抗氧化腐蝕的性能。為了追求良好的高溫蠕變強度、抗氧化和抗腐蝕性能，在生產(chǎn)過程中增強對其的沉淀固化，這一工藝主要是用來生產(chǎn)制作高溫工作的零部件，如燃氣輪機的渦輪葉片等。另外，銀基合金還在國防工業(yè)、化

7、工、石油冶煉領(lǐng)域廣泛的應用。3 .氧化物彌散強化沉淀硬化是傳統(tǒng)的高溫合金通常采用的強化手段之一，主要基于其析出相的沉淀硬化相對簡單易操作，但是在高溫的生產(chǎn)條件下，析出相會聚集在一起生成較大個體，還有的會重新固溶于基體中，因而會降低高溫合金的工作溫度，限制其作用，不能發(fā)揮出自身的性能，進而達不到預期的效果10,11。鎮(zhèn)基氧化物彌散強化（ODS）高溫合金包括2種：第1種是以MA795為代表的低鋁含量的合金如MA785、MA795、PM1300等，其本身不具有丫相，同時合金進行制造過程中需要較低的高溫強度；第2種是銀基ODS合金，這種合金增加了丫相，同時適當添加了一些鴇、銘元素，其中合金中丫相的含量

8、比較高，最高可以達到總體的80溢右，并加入適當?shù)镍d、鋁等穩(wěn)定丫相元素，這樣可以提高合金的工作溫度，提高合金的強度。在現(xiàn)階段中，只有有限的幾種銀基高溫合金開始了商業(yè)化的生產(chǎn)和銷售，用于發(fā)動機燃燒室的MA795合金，用于制作航空發(fā)動機導向葉片的MA756合金，以及用于航空發(fā)動機葉片的MA6700合金。三、銀基高溫合金的性能研究1.銀基高溫合金的力學性能研究在1976年，科恩等科學家做金屬力學實驗時發(fā)現(xiàn)一種特殊的現(xiàn)象，在實驗的過程中以30：1擠壓比來擠壓In-155合金，在1500c情況下可以得到1250%勺延伸率，同時可以得出結(jié)論：這種現(xiàn)象與金屬合金中析出的第二相粒子控制晶粒長大有關(guān)。我國的毛雪平

9、等教授在450650C高溫條件下也進行了多次的拉伸力學試驗，實驗的對象主要是銀基合金C280,經(jīng)過多次試驗分析溫度對彈性模量的影響，還分析溫度對合金屈服應力的影響，以及溫度對延伸率的作用，得出了銀基合金C280在高溫下具有流變的現(xiàn)象以及良好塑性的結(jié)論，使我國在此領(lǐng)域的研究更上一層樓。2 .銀基高溫合金的氧化行為研究在高溫（通常指工作溫度達到1000C）的條件下，抗氧化性的實現(xiàn)主要是靠AL315和Cr315保護膜，因此，就需要銀基合金至少要含有這2種元素的其中一種元素，因為抗高溫氧化性能和熱腐蝕性能的變化影響著銀基合金的強度，其中合金元素量的多少影響著其性能的高低，雖然現(xiàn)階段高溫合金的氧化試驗結(jié)

10、果比較復雜，沒有有力的數(shù)據(jù)進行分析，學術(shù)界在表示高溫合金的抗氧化能力上約定俗成以氧化動力學和氧化膜的組成變化來表示。趙越等學者在研究K450在7401050c的恒溫氧化行為時，就發(fā)現(xiàn)K450氧化動力學曲線幾乎符合拋物線規(guī)律：合金在850C以下是完全抗氧化級的，但是在8501050c為抗氧化級，而且K450氧化膜中的內(nèi)氧化物層是AL315,其中含有一定數(shù)量的錫，表面氧化物的顆粒大小與溫度成正比，氧化反應速度與溫度也成正比。我國的一些研究人員利用靜態(tài)增重法對新型銀基高溫合金在1350c的氧化行為進行研究，發(fā)現(xiàn)了氧化動力學也遵循拋物線規(guī)律，具體表現(xiàn)為在氧化過程中金屬元素發(fā)生了內(nèi)氧化，氧化膜主要是以C

11、r315為主，同時其中還含有Cr206、AL315及Ti01。隨著合金內(nèi)其他金屬元素含量的增加，合金產(chǎn)生氧化分解的難度下降，所以金屬元素加入后其抗氧化性大為降低。3 .銀基高溫合金的疲勞行為研究在實驗室和工廠中，零部件在很多時候必須要承受高溫和高壓力的作用，同時快速加熱或冷卻引起的各種瞬間熱應力和機械應力疊加在一起，使得金屬零部件的局部區(qū)域發(fā)生塑性變形，進而產(chǎn)生疲勞對零件壽命產(chǎn)生極大影響。基于此原因，必須要對銀基高溫合金的高溫疲勞行為進行相關(guān)的研究。郭軍民等在研究鑄造銀基高溫合金K352室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為時得出一個結(jié)論：在應力比R=-1,轉(zhuǎn)速為5000r/min環(huán)境下，K352合金室溫旋轉(zhuǎn)彎

12、曲疲勞極限為235MPa,在試樣表面極易產(chǎn)生裂紋，同時在靠近表面缺陷處部分產(chǎn)生的可能性也比較大，斷口主要有裂紋萌生區(qū)，另外有時也會出現(xiàn)裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。黃志宏等學者在研究鑄造銀基高溫合金M850的高溫低周疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，M850合金在低應變速率下的壽命比較短，只有正常情況下的2/3;因為該合金的強度高，另外還有延性低的特點，這都導致了其具有較低的過渡疲勞壽命。四、銀基高溫合金的凈化工藝金屬材料在生產(chǎn)過程中，都會不可避免的混入一些雜質(zhì)，這就降低了金屬自身的純度和性能。對于銀基合金也不例外，其在制備過程中會或多或少地混入一些夾雜物，這嚴重影響著整個合金零部件的性能。必須要對這些雜質(zhì)予以清

13、除，從而凈化這些金屬零部件，只有這樣才能進一步提高合金的整體性能。例如銀基高溫合金GH4175,近幾年來我國GH4175合金的研究和發(fā)展速度較快，已經(jīng)有多種升級型號投入生產(chǎn)，現(xiàn)階段基本可以滿足了國內(nèi)的需求，但是作為一種合金渦輪盤，我國的產(chǎn)品與美日等發(fā)達國家存在一定差距，其不論是在研究方面，還是生產(chǎn)方面都存在較大差距。美國Inconel720合金的制造水平已經(jīng)達到一個較高的水平，但我國在冶煉GH4175合金過程中，出現(xiàn)一些問題，主要因為我國的冶煉設(shè)備技術(shù)落后，合金的冶煉工藝路線不合理，甚至是技術(shù)參數(shù)控制的不精準造成。據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計：從我國太行”發(fā)動機研制成功以來，在生產(chǎn)中存在黑斑缺陷的鋼錠

14、數(shù)量占盤鍛件總數(shù)的3.4溢右,而同期的美國Inconel720合金中幾乎沒有黑斑現(xiàn)象的問題。另外，美國Inconel720合金中的硫和氧元素的含量低于國產(chǎn)的零部件，其他的雜質(zhì)含量也遠低于國內(nèi)同類產(chǎn)品。由此可見我國的GH4175合金在冶金質(zhì)量還有較多問題，這就需要我們繼續(xù)向前發(fā)展，解決存在的問題。GH4175合金盤鍛件的質(zhì)量幾乎是我國同類產(chǎn)品中最好的，因此適用領(lǐng)域較廣，隨著我國大飛機項目的啟動，現(xiàn)有的GH4175合金盤鍛件質(zhì)量已經(jīng)不能滿足需要。在航空航天領(lǐng)域設(shè)備的服役壽命更為關(guān)鍵，因此，這也就封合金的持久蠕變性能提出更高要求，同時也對合金的疲勞性能提出了更高的要求。為提高GH4175合金的綜合性

15、能必須要提高其純凈度，因此在今后的時間里，需要繼續(xù)對GH4175合金冶煉工藝進行改進和完善。GH4175冶煉工藝較為復雜，主要有4個環(huán)節(jié)：真空感應熔煉、真空自耗重熔兩聯(lián)工藝、真空自耗重熔和電渣重熔等，這也是最為關(guān)鍵的4個環(huán)節(jié)。目前，國外優(yōu)質(zhì)渦輪盤用材制造基本都需要歷經(jīng)這4個環(huán)節(jié)。采用這種工藝熔煉的優(yōu)勢明顯：那就是可以大幅度降低黑白斑出現(xiàn)的可能性，同時減少金屬材料的雜質(zhì)，提高材料的純凈度，最重要的是顯著提高了合金的抗疲勞性能。五、銀基高溫合金的發(fā)展趨勢隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，市場對銀基高溫合金提出了更高的要求，為滿足市場需求，必須對銀基高溫合金加快研究，提高其綜合性能。第一，進一步加強對高強度的銀基高溫合金的研究。通過添加一定量的鋁和鎂等金屬元素，保證合金的強度提高；根據(jù)情況還可以加入大量的鋁等難熔金屬元素，來提高合金的強度，通過加入釘元素來提高合金的組織穩(wěn)定性。以上幾種做法，可以提高銀基合金的強度。第二，發(fā)展抗熱腐蝕性能的單晶合金。通過在合金中加入一定數(shù)量的鴇等難熔金屬，可以在一定情況