高溫合金精品PPT課件

1、(High-temperature alloy) 高溫合金的定義和發(fā)展 高溫合金的特性和分類 高溫合金的高溫性能要求 提高高溫合金性能的途徑和方法 高溫合金的應(yīng)用 高溫合金的未來高溫合金的制備工藝11.高溫合金的定義和發(fā)展 高溫合金是指能在6001200高溫下仍能保持按設(shè)計(jì)要求正常工作的金屬材料。 隨著人類飛向太空，核動力、光子火箭的發(fā)展，對高溫的要求進(jìn)一步提高，將超出金屬高溫合金的極限，需要發(fā)展其他類型的高溫材料。圖1 高溫合金的發(fā)展過程22.高溫合金的特性和分類耐高溫金屬材料耐熱鋼低合金耐熱鋼鐵素體系耐熱鋼奧氏體系耐熱鋼500 700 高溫合金鐵基（鐵鎳基）高溫合金鈷基高溫合金鎳基高溫合金

2、彌散強(qiáng)化合金狹義高溫合金700 1200定向凝固高溫合金鉬基、鉻基、鎢基高溫合金表1 耐熱合金和高溫合金的分類 在高溫下合金能具有較高的強(qiáng)度，良好的疲勞性能、斷裂韌度，以及強(qiáng)的抗氧化和抗熱腐蝕性能，并保持良好的組織穩(wěn)定性和可靠的使用性能等綜合性能。3(1) 鐵基（鐵鎳基）高溫合金 鐵基高溫合金由奧氏體不銹鋼發(fā)展而來，在18-8型不銹鋼中加入鉬、鈮、鈦等合金元素，使其在500700溫度下的持久強(qiáng)度提高。優(yōu)點(diǎn)：成本低，可用于制作一些使用溫度較低的航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)上的渦輪盤、導(dǎo)向葉片，以及一些承力件、緊固件等。缺點(diǎn)：鐵基高溫合金由于沉淀硬化型的組織不穩(wěn)定，抗氧化性差，高溫強(qiáng)度不夠，僅可使用于8

3、00，(2) 鎳基高溫合金 以鎳為基體，w Ni 50%，可在7001000溫度范圍內(nèi)使用。優(yōu)點(diǎn)：鎳基高溫合金可溶解較多的元素，具有較好的組織穩(wěn)定性，高溫強(qiáng)度較高，比鐵基高溫合金有更好的抗氧化性和抗腐蝕性。4(3) 鈷基高溫合金 w Co在4060的奧氏體高溫合金，工作溫度可達(dá)7301100。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)溫度高于980時(shí)，其強(qiáng)度很高，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性都很佳，適合于航空發(fā)動機(jī)，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)向葉片以及柴油機(jī)的噴嘴等。缺點(diǎn)：一般鈷基高溫合金含w Ni = 10%22% 和 w Cr = 20%30%，以及鎢、鉬、鉭、鈮等固溶強(qiáng)化和碳化物形成元素，其含碳量較高，

4、是以碳化物為主要強(qiáng)化相的高溫合金，缺少共格類的強(qiáng)化相，中溫強(qiáng)度不如鎳基高溫合金。鈷是重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，大多數(shù)國家缺乏，因此發(fā)展受到嚴(yán)重限制。53.高溫合金的高溫性能要求 高溫合金工作在6001200，高溫性能要求： 高溫下的力學(xué)性能； 高溫下的抗腐蝕性能。(1) 高溫下的力學(xué)性能 持久強(qiáng)度 指合金在一定溫度、一定時(shí)間下的斷裂強(qiáng)度。要求獲得此條件下的最大強(qiáng)度，以 表示。其中A，B為材料常數(shù)， 為時(shí)間(h)， 是應(yīng)力(MPa)。持久強(qiáng)度與溫度梯度和波動，材料的缺口和應(yīng)力集中等因素有關(guān)。 熱疲勞 隨熱循環(huán)應(yīng)力增加，循環(huán)溫度或平均溫度的增加而下降；循環(huán)頻率增加，熱疲勞強(qiáng)度增加。應(yīng)力集中也會降低金屬熱疲勞

5、強(qiáng)度。 松弛 零部件在長期應(yīng)力作用下，其總變形不變，零部件所受的應(yīng)力隨時(shí)間的增加而自發(fā)地逐漸降低的現(xiàn)象。此為為高溫下合金內(nèi)部組織不穩(wěn)定引起。6 蠕變 指溫度高于0.5T熔點(diǎn)下，材料承受遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，隨著時(shí)間的持續(xù)增加而產(chǎn)生的緩慢塑性變形的現(xiàn)象。典型的蠕變曲線見圖2所示，根據(jù)變形速率隨時(shí)間的變化，蠕變曲線可分為三個(gè)階段。 第一階段，即蠕變的減速階段。隨時(shí)間的增加，形變量增加，變形速率降低，見右圖的AB段。 第二階段，即恒定蠕變階段。此時(shí)蠕變變形速率隨加載時(shí)間的延長而保持不變，如BC段。 第三階段，蠕變的加速階段。蠕變形變速率顯著增加，當(dāng)達(dá)圖中D點(diǎn)時(shí)，材料斷裂，溫度越高，承受力越大，蠕變

6、斷裂時(shí)間越短。圖2 典型的蠕變曲線7(2) 抗腐蝕性 提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、熱腐蝕性，可采用在合金中加入其它元素，或在合金表面涂層的方法，如在合金的表面滲鋁、滲硅或鉻鋁、鉻硅共滲，陶瓷涂層等。 提高位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動的阻力，減緩位錯(cuò)擴(kuò)散型運(yùn)動過程，改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以增加晶界強(qiáng)化作用，或消除晶界在高溫時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，以提高高溫合金高溫力學(xué)性能。84.提高高溫合金性能的途徑和方法 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化 1) 固溶強(qiáng)化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素鈷、鎢、鉬等，引起基體金屬的點(diǎn)陣畸變。鎢、鉬可緩減基體金屬擴(kuò)散；鈷降低合金基體的堆垛層錯(cuò)能，從而提高合金的高溫穩(wěn)定性。 固溶強(qiáng)化與下列因素有關(guān)：溶質(zhì)和溶

7、劑原子大小差。溶質(zhì)原子產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變的長程內(nèi)應(yīng)力場，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動。溶質(zhì)和溶劑原子彈性模量的差別。 改變?nèi)苜|(zhì)原子處位錯(cuò)的彈性應(yīng)力場。靜電交互作用。晶體中刃位錯(cuò)產(chǎn)生的彈性畸變會引起費(fèi)密能變化，導(dǎo)致金屬導(dǎo)電電子從受壓縮區(qū)域流向受拉伸區(qū)域，產(chǎn)生電偶極子。溶質(zhì)原子的導(dǎo)電電子參與分布，使之成為一個(gè)帶正電荷的離子，從而在它與位錯(cuò)之間出現(xiàn)短程的靜電交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動阻力增加。但這種作用比彈性交互作用要小很多。9動化學(xué)交互作用。溶質(zhì)原子在面心立方金屬中層錯(cuò)處的平衡濃度不同，這種不均勻分布，即所謂鈴木氣團(tuán)（Suzuki氣團(tuán)）。它的強(qiáng)化作用比體心立方金屬中的Contrell氣團(tuán)和Snock氣團(tuán)產(chǎn)生的彈性交互作用要小

8、一個(gè)數(shù)量級，但其穩(wěn)定性較高，將位錯(cuò)從鈴木氣團(tuán)脫釘出所需的激活能高達(dá)1eV。因此對于位錯(cuò)運(yùn)動阻力，它的作用較大。動短程有序原子。當(dāng)溶質(zhì)原子數(shù)量較多，并且異類原子之間的作用能不同于同類原子時(shí)，固溶體可能出現(xiàn)一定程度的短程有序。位錯(cuò)運(yùn)動通過有序區(qū)時(shí)，由雨全部或部分破壞原子有序關(guān)系而增加了位錯(cuò)運(yùn)動阻力。層錯(cuò)能降低的強(qiáng)化。層錯(cuò)能是影響蠕變變形的重要因素。對純金屬而言，蠕變第二階段變形速率與層錯(cuò)能的3. 5 次方成比例，低層錯(cuò)能合金的高溫強(qiáng)度較高。對于高溫合金，降低合金層錯(cuò)能的固溶元素，有利于降低蠕變變形。可以粗略地把合金元素對層錯(cuò)能影響歸納為線性關(guān)系。合金元素對鎳的層錯(cuò)能的影響依減：WTiCrCoCuF

9、e。10 高溫合金中、合金元素的固溶強(qiáng)化作用，首先是與溶質(zhì)和溶劑原子尺寸因素差別相關(guān)聯(lián)；此外，兩種原子的電子因素差別和化學(xué)因素差別都有很大影響，而這些因素也是決定合金元素在基體中的溶解度的因素。固溶度小的合金元素較之度大的合金元素，會產(chǎn)生更強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，但其溶解度小又限制其加入量；固溶度大的元素可以增加其加入量而獲得更大的強(qiáng)化效果。 2) 沉淀強(qiáng)化 通過高溫固溶后淬火時(shí)效的方法，使過飽和的固溶體中析出共格第二相的, , 碳化物等細(xì)小顆粒均勻分布基體上，產(chǎn)生阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，起到強(qiáng)化作用。 沉淀強(qiáng)化與下列因素有關(guān)：錯(cuò)配度。錯(cuò)配度 共格應(yīng)力強(qiáng)化是相強(qiáng)化的一個(gè)重要因素，錯(cuò)配度越大，強(qiáng)化越高。圖3示

10、出Ni-AI-Me合金高溫最大硬度與錯(cuò)配度關(guān)系，在相強(qiáng)化的Ni-AI二元合金中加入鈮 、鉭、釩、硅、錳、鎵11 及碳等元素，高溫硬度隨晶格錯(cuò)配度線性增加，其 760 高溫抗拉強(qiáng)度也有相同變化趨勢。圖3 Ni-Al-Me合金高溫最大硬度與錯(cuò)配度(871/50h時(shí)效)關(guān)系12沉淀相尺寸。 相大小是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其存在一個(gè)臨界質(zhì)點(diǎn)尺寸，臨界尺寸處可獲得最大的強(qiáng)化效果。臨界質(zhì)點(diǎn)尺寸與相含量有關(guān)，相含量越多，臨界尺寸越大。圖4 Ni-Cr-Al-Ti合金中相尺寸對高溫性能的影響13圖5相含量對鎳基合金性能的影響沉淀相含量。 相的量是獲得強(qiáng)化效果的基本條件。對鎳基合金，可以通過加入鋁、鈦、鈮等相形成

11、元素而大量增加相含量，也可以用鈷、鐵、鉻等元素降低相的溶解度來增加相含量。14 3) 晶界強(qiáng)化 晶界在低溫下是位錯(cuò)滑移的阻礙，對于在低溫工作的合金，細(xì)化晶粒將有利于合金的強(qiáng)度提高。但是晶界在高溫下易發(fā)生蠕動，因此在高溫下使用的合金希望減少晶界的粗晶結(jié)構(gòu)；另外為了提高晶界的高溫強(qiáng)度，采用控制有害雜質(zhì)，加入微量元素如鋯等元素，強(qiáng)化晶界。 晶界強(qiáng)化與下列因素有關(guān)：彎曲晶界。用特殊的方法得到彎曲的晶界，可降低晶界滑移的速率。圖6示出GH220高溫合金的蠕變性能。在850、343MPa條件下，從圖6看出，彎曲晶界有效地提高了合金的蠕變性能。圖6 GH220高溫合金的蠕變性能15強(qiáng)化晶界元素。這些微量元素

12、有硼，鋇鋯，鎂，鉿等，偏析于晶界，改善晶界第二相(碳化物等)的分布形態(tài)和分布，以及晶界附近區(qū)域的組織(如貧區(qū))，從而改善晶界強(qiáng)度和塑性。圖7示出GH220合金中鎂對晶界碳化物M6C相分布的改善?？刂朴泻﹄s質(zhì)。這些雜質(zhì)元素往往是低熔點(diǎn)的，偏析在晶界，并與基體生成低熔點(diǎn)的化合物或共晶體。如氮?dú)?、氧氣、氫氣含量，對高級的鎳基高溫合金，氧和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須小于1010-6，一般的高溫合金氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約4010-65010-6。對合金含硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在小于510-6，可明顯提高高溫?zé)釓?qiáng)性。稀土和堿土元素對氣體，硫，磷等有害雜質(zhì)有較大的親和力，形成難熔化合物，起凈化作用。圖7 GH220合金中鎂對晶

13、界碳化物M6C相分布的改善 a)無 Mg b) w Mg =0.0048%16碳化物和氧化物強(qiáng)化。碳化物硬而脆，與基體呈非共格阻撓位錯(cuò)切割。一些碳化物在高溫下易溶解，低溫可析出，高溫具有一定的穩(wěn)定性，不易長大。此類碳化物有VC，M23C6，NbC等，增加碳化物的含量和它的彌散度有利于提高強(qiáng)化效果，但過高的飽和度形成大塊的碳化物析出，會引起脆性。通過粉末冶金方法，在合金中加入高溫下保持穩(wěn)定的細(xì)小氧化物顆粒，如ThO2，Y2O3，Al2O3等，呈彌散分布，起到釘扎位錯(cuò)和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動的作用。(2) 工藝強(qiáng)化 1) 粉末冶金 高熔點(diǎn)元素鎢、鉬、鉭的加入，凝固時(shí)會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生偏析，造成組織不均。采用粒

14、度數(shù)十至數(shù)百微米的合金粉末，經(jīng)過壓制、燒結(jié)，成形的零件，可消除偏析，組織均勻，并節(jié)省材料，做到既經(jīng)濟(jì)又合理。17 2) 定向凝固 由于高溫合金中存在多種合金元素，塑性和韌性都很差，通常采用精密鑄造工藝成型。鑄造結(jié)構(gòu)中的等軸晶粒的晶界，處于垂直于受力方向時(shí)，最易產(chǎn)生裂紋。葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)受的拉應(yīng)力和熱應(yīng)力，平行于葉片的縱軸，采用定向凝固工藝形成沿縱軸方向的柱狀晶粒，消除垂直于應(yīng)力方向的晶界，可使熱疲勞壽命提高10倍以上。通過嚴(yán)格控制陶瓷殼型冷卻梯度方法，做成單晶渦輪葉片，其承溫能力比一般鑄造方法的材料承溫提50100，壽命增加4倍。 3) 快速凝固 快速凝固得到的高溫合金，合金的組織細(xì)化，偏析降低，固

15、溶體基本過飽和度和缺陷增加，從而改善合金的組織，使前述各種強(qiáng)化手段的作用得到充分發(fā)揮。原來在一般凝固條件下不能獲得良好的組織，在快速凝固條件下則可獲得優(yōu)良的、非平衡狀態(tài)組織。例如在快速凝固條件下，鎳基高溫合的主要強(qiáng)化相可以不僅是傳統(tǒng)的相，還可以得到大批的、均勻細(xì)小的碳化及硼化物相、-Mo相等。在快速凝固條件下，由于這些相均勻細(xì)小的時(shí)效析出或共晶析出而起強(qiáng)化作用。185.高溫合金的應(yīng)用(1) 航空發(fā)動機(jī) 1) 燃燒室 部分壓縮空氣與燃料混合，在燃燒室燃燒，所產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?5002000之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800900以

16、上，局部可達(dá)1100。冷卻空氣與燃燒的氣體混合，使燃?xì)鉁囟冉档?370以下?？梢姡紵冶诔芨邷赝?，還承受由于內(nèi)外壁溫度不同引起的熱應(yīng)力作用。特別是在起飛、加速和停車時(shí)，溫度變化更為急劇。由于周期循環(huán)加熱冷卻，熱應(yīng)力可達(dá)很大值，冷卻孔更易破壞、燃燒室常出現(xiàn)變形、翹曲、邊緣熱疲勞裂紋等。 2) 導(dǎo)向葉片 導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考Ｏ冗M(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片工作溫度可高達(dá)1100，但葉片承受的應(yīng)力比較低，一般在70MPa以下。對材料要求是：高溫強(qiáng)度好，熱疲勞抗力佳，抗氧化、耐蝕性優(yōu)異，并具有一定的抗沖擊強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。 19 3) 動葉片 動葉片是渦較發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的

17、部件。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度已達(dá)1380，推力達(dá)226kN 。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉身部分承受拉應(yīng)力大約140MPa；葉根部分承受平均應(yīng)力為280560MPa，相應(yīng)的葉身承受溫度為650980，葉根部分約為760。因此，動葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，要有良好的疲勞強(qiáng)度及抗氧化、耐燃?xì)飧g性能和適當(dāng)?shù)乃苄?。此外，還要求長期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強(qiáng)度，可鑄性及較低的密度。 4) 渦輪盤 航空發(fā)動機(jī)渦輪盤工作溫度在760左右，輪緣部分可達(dá)此溫度，而徑向盤心溫度逐漸降低，一般在300左右。輪盤正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，盤子帶著葉片、高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力。停車、起動

18、反復(fù)進(jìn)行，形成周期疲勞。20(2) 火箭發(fā)動機(jī) 圖8是液體燃料火箭發(fā)動機(jī)示意圖。透平泵機(jī)組的氣體發(fā)生器處于約1050的溫度下，由噴嘴中噴出的氣體的速度約為2500m/s。氣體靠近嘴壁處的溫度約為1350。對沒有特殊防護(hù)的一般金屬只能做短時(shí)忍耐。圖8 液體燃料火箭發(fā)動機(jī)示意圖1-噴嘴 2-燃燒室 3-混合帶 4-噴射器 5-主氣門 6-氣體發(fā)生器 7-渦輪機(jī) 8-透平泵 9-氧化劑 10-壓縮氣 11-燃料 12-涂料 13，14-金屬 15-冷卻劑 16-氣體(約2500m/s)21 燃料箱、泵傳送器所用材料，特別需要化學(xué)穩(wěn)定性。液態(tài)氟以及作為氧化劑的發(fā)煙硝酸和四氧化氮，具有特別強(qiáng)烈的侵蝕性，

19、除了在1000以上的工作溫度下出于腐蝕而引起的問題之外，流過的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物也產(chǎn)生沖蝕性。 火箭啟動時(shí)，在12s內(nèi)，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度過載，會對材料施加非常巨大的機(jī)械負(fù)荷，盡管元件所受應(yīng)力是短時(shí)的，但由于其載荷的大小和方向急劇地發(fā)生變化，往往會引起疲勞斷裂?；鸺旧碇亓勘仨毐M可能的小，因此，金屬材料的比強(qiáng)度在火箭制造中具有特別重要的意義。 彈道火箭進(jìn)入大氣層時(shí)，熱流量為1000025000kcal/(m2s)，它在短時(shí)間內(nèi)，引起巨大的溫度梯度，長時(shí)間作用則會建立起平衡溫度。對金屬材料的耐熱性有特殊的要求。22 國外長程大推力火箭發(fā)動機(jī)采用Inconel

20、718合金制造高壓導(dǎo)管，國內(nèi)研制的GH169合金管的疲勞壽命約為1Cr18Ni9Ti鋼管的3倍以上，具有良好彎管和焊接等工藝性能，還可用于發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子和主鈾。 GH30金絲網(wǎng)多孔發(fā)散冷卻材料用于火箭發(fā)動機(jī)、制作噴注器面板，既作防熱材料又作結(jié)構(gòu)材料使用。噴注器面板上固定有許多氫氣、氧氣噴嘴，氫氣和氧氣噴進(jìn)燃燒室進(jìn)行燃燒，面板兩側(cè)的溫度差異極大，一面為超低溫-150，另一面為超高溫3500。能承受發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動使面板受到的較大沖擊載荷，并成功地用于通信衛(wèi)星上。 GH131鐵基高溫合金旋壓管用于大型液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪燃?xì)膺M(jìn)氣導(dǎo)管，還用于9001000使用的大型火箭發(fā)動機(jī)燃燒室、隔熱

21、板、渦輪進(jìn)氣導(dǎo)管，以及航空發(fā)動機(jī)的加力燃燒室、魚鱗片等。 GH188A合金與國際上最高強(qiáng)化型-鈷基變形合金HS-188相當(dāng)，用于液體火箭姿態(tài)控制器發(fā)動機(jī)頭部與身部結(jié)合處的高溫彈性密封件。23(3) 燃?xì)廨啓C(jī) 航空發(fā)動機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)材料要求在較高溫度下，具有較高的持久強(qiáng)度和塑性變形等特點(diǎn)，而使用期限較短；固定式燃?xì)廨啓C(jī)材料要求在較低溫度下使用期限很長。固定式燃?xì)廨啓C(jī)裝置的使用時(shí)間取決于它的用途和功率大小。大功率發(fā)電用的固定式裝置由于制造費(fèi)用大，使用時(shí)間至少考慮為100000h；商船和熱力機(jī)車上的燃?xì)廨啓C(jī)裝置使用時(shí)間考慮在100000h之內(nèi)；軍用艦艇上的燃?xì)廨啓C(jī)裝置使用時(shí)間考慮1000050000h

22、。 燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室、導(dǎo)向葉片、工作葉片、渦輪盤和轉(zhuǎn)子的要求與航空發(fā)動機(jī)相似。渦輪盤和氣缸法蘭盤的緊固螺栓，其工作溫度與渦輪盤及氣缸相同。燃?xì)廨啓C(jī)中的螺栓，有時(shí)必須在高達(dá)600750的溫度下工作。對緊固螺栓材料的主要要求是高溫時(shí)應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和抗松弛性能。為了使連接的零件可以自由膨脹和減少溫差應(yīng)力，螺栓和連接零件的材料應(yīng)具有相同的熱膨脹性能。24 537合金是在800850工作溫度下長期使用的鎳基鑄造耐熱腐蝕合金，可用于地面燃?xì)廨啓C(jī)和艦用燃?xì)廨啓C(jī)上渦輪葉片的制作。合金800的抗拉強(qiáng)度可達(dá)800MPa以上；在815、430MPa下的持久壽命大于100h；800、220MPa下的持久壽命大于2

23、0000h；抗熱腐蝕性能相當(dāng)于國外的 IN-738合金，但不含價(jià)格昂貴的稀有金屬鉭，成本低。 543合金具有良好的高溫組織穩(wěn)定性。在800、經(jīng) 8000h 時(shí)效后沒有發(fā)現(xiàn)有害相。 543 合金可用作在700750環(huán)境下長期使用的燃?xì)廨啓C(jī)動葉片材料。 GH333系鎳基高溫耐蝕合金，工作溫度可達(dá)900，用于制造燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒、過渡段等燃燒部件。25(4) 汽油及柴油發(fā)動機(jī) 1) 排氣閥 工作溫度一般為600800，最高可達(dá)850以上。由于氣閥的高速運(yùn)動和頻繁的啟動除了可能出現(xiàn)機(jī)械疲勞外，在氣閥頭部也可能產(chǎn)生冷熱疲勞。為了避免“爆振”，常在汽油中加入乙基鉛、溴化鉛等抗爆劑，所以汽車發(fā)動機(jī)排氣閥要求抗

24、PbO腐蝕。重油中，含釩、硫、鈉等，故柴油機(jī)排氣閥要求抗V2O3,，鈉和硫的腐蝕。 2) 燒嘴 船舶、油田鉆機(jī)、機(jī)車、挖掘機(jī)等柴油機(jī)預(yù)燃燒室燒嘴，在800900長時(shí)間使用，要求組織性能穩(wěn)定，抗熱循環(huán)疲勞性能良好，膨脹系數(shù)較低。GH128和RA333高溫合金用于12V180Z 型柴油機(jī)預(yù)燃燒室燒嘴，GH128壽命達(dá)到4000h，最高達(dá)8408h；RA333最高壽命達(dá) 11600h。另有PZ502合金的性能與RA333合金噴嘴相當(dāng)，且強(qiáng)度高、切削性能好、成本低，在各種發(fā)電機(jī)、船舶主機(jī)上使用。26 3) 熱發(fā)生器 作為排氣凈化裝置，熱發(fā)生器工作溫度達(dá)1000。隨著發(fā)動機(jī)的起動-停車的間斷加熱條件，促

25、使氧化膜破壞和剝落。與排氣閥相同，尤其使用高鉛汽油，由于鉛化合物產(chǎn)生加速氧化；另外，因排氣中低氧壓的緣故，大氣中微量的SO2和硫酸鹽容易引起硫化。 4) 增壓器 柴油機(jī)發(fā)展中增壓技術(shù)，廢氣增壓渦輪，是利用氣缸排出的廢氣帶動，以增加進(jìn)氣壓力，加大進(jìn)氣量，從而加強(qiáng)燃燒。采用廢氣渦輪增壓，可成倍地提高柴油機(jī)功率，大幅度降低單位功率，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。我國的K13合金，是一種Fe-Ni-Cr基鑄造高溫合金，與國外采用Incone1713和X40合金相比，含鎳少，不含鈷。K13合金大量用于制造渦輪和葉片鑄件，是750環(huán)境理想的增壓渦輪材料。K18合金是不含鈷的鎳基鑄造高溫合金。合金密度小，具有良好的綜

26、合性能，組織穩(wěn)定性和鑄造工藝性能佳。在較寬的溫度范圍內(nèi)可用作燃?xì)鉁u輪工作葉片、導(dǎo)向葉片、整鑄渦輪和柴油機(jī)增壓器。27(5) 核工業(yè) 1) 核包殼 燃料元件包殼管壁承受600800高溫，且壁又薄，所以材料必須具有高的蠕變強(qiáng)度。在液體金屬冷卻反應(yīng)堆中，使用氧化物燃料時(shí)，包殼受到的應(yīng)力約為120150MPa。材料在上述條件下會出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形，從而造成燃料元件的提前斷裂。在燃料元件使用壽命終期，包殼受到的機(jī)械應(yīng)力是最大的，因而對其機(jī)械性能要求也高。燃料元件包殼材料外部受冷卻劑的侵蝕，內(nèi)部受燃料的侵蝕，所以作為燃料元件包殼材料的耐腐蝕率也有高的要求。對鐵基和鎳基合金來說，還有金屬的溶解腐蝕，鎳含量高

27、時(shí)，腐蝕率顯著增高。燃料元件的包殼除受冷卻劑的腐蝕以外，與燃料的化學(xué)反應(yīng)、輻照損壞也是可能導(dǎo)致包殼材料的重要問題之一，對快速中子增殖反應(yīng)堆燃料包殼材料具有重要影響的還有高溫脆性。 鈉冷反應(yīng)堆燃料包殼材料一般有三大類：不銹鋼、鎳基合金和難熔金屬及其合金。鎳基合金有Hastelloy、Incoloy800、Nimonic80A等。28 2) 燃料元件定位架 它處于高溫、高壓、高通量輻照等苛刻條件下工作，要求材料有較好的綜合性能。GH169A合金冷軋帶材具有良好的冷沖壓性能和釬焊性能，能滿足要求。 3) 高溫氣體爐 這是將氦氣作為冷卻介質(zhì)的反應(yīng)堆，可獲得7501000的高溫，作為煉鐵和化學(xué)工業(yè)及其他

28、過程的熱源。原子能煉鐵，就是要利用這種核熱能，造成高溫還原性氣氛。為安全起見，氦/氦中間需有換熱器，這種換熱器擬采用鎳合金。其目標(biāo)是能夠制造在1000不純氦中，10萬h內(nèi)蠕變斷裂強(qiáng)度在10MPa以上，外徑425mm ，厚5mm、長度在7m以上的耐熱鋼管。(6) 其他領(lǐng)域 1) 煤的氣化、液化 煤氣化環(huán)境中氧的分壓低，硫的分壓高，結(jié)果在金屬表面不易形成有效的保護(hù)性氧化膜，而是含有大量有腐蝕性的質(zhì)29質(zhì)點(diǎn)。這些物質(zhì)與氣化器內(nèi)的金屬部件接觸，在高溫下與氧化膜反應(yīng)使之破壞，這些沉積物還阻礙氧化膜的繼續(xù)生成。煤汽化中含有H2S，多數(shù)高溫材料在低溫(850)、低硫介質(zhì)中還能適應(yīng)，而高溫下硫的腐蝕明顯加重。

29、在煤氣化碳化氣氛中，由于氧化膜保護(hù)作用差，使合金表面層的碳含量明顯增加，從而造成合金塑性降低。在煤汽化中或類似氣氛中使用的高溫合金有：鐵基合金-N155，RA330，RA333，T63WC，310不銹鋼，F(xiàn)e-18Cr-5AI-Mo-Hf，F(xiàn)e-18Cr-5AI-Y，MA956E(Fe-19Cr-5AI-0.45Y2O3)；鎳基合金-IN617，IN657，IN738，IN739，Kimonic80A；鈷基合金-Haynes188，Stellte6B，X-40，Co-Cr-W-1。 2) 冶金工業(yè) 冶金工業(yè)生產(chǎn)過程中的熱處理、加熱爐、軋鋼、煉鋼、測量等均離不開高溫過程，因此不少冶金設(shè)備的接觸高

30、溫的部件需要高溫合金，如傳送帶、馬弗爐和爐子零件、熱處理爐的爐底輥、輻射管、高溫通風(fēng)機(jī)、壓力鑄造的壓鑄模等。30 3) 石油化工 石油化工管式裂解爐，管內(nèi)通以裂解原料，管外用液體燃料或氣體燃料燃燒所發(fā)出的熱量來加熱管外壁。通過管壁的傳熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的反應(yīng)物料。裂解反應(yīng)溫度較高(約800)，而管外壁的溫度更高，這樣才能把熱量傳導(dǎo)到管內(nèi)去。裂解爐管內(nèi)是進(jìn)行強(qiáng)烈吸熱的裂解反應(yīng)。物料在管中流速大，停留時(shí)間短，要在每單位時(shí)間、每單位傳熱面對反應(yīng)物流供給大量熱量，因此必須用高熱強(qiáng)度及耐高溫1000以上的合金。 4) 搪瓷制品 在日用搪瓷制品生產(chǎn)中，燒成爐用的吊架材質(zhì)好壞，將直接關(guān)系到制品質(zhì)量。吊架材

31、質(zhì)必須要求抗氧化、不起皮，900950溫度下不易變形，易加工成形，架間粘瓷不超過2mm，其中GH30效果較好。搪瓷燒成爐需要輻射管，燒氣或油的爐均需在輻射管內(nèi)燃燒，其熱量通過管壁傳給燒成爐。該輻射管要求耐高溫、抗氧化、耐硫化，并具有一定強(qiáng)度和良好工藝性能，目前使用GH128、GH30 等合金。316.高溫合金的未來(1) 難熔金屬合金 目前使用的高溫合金，其使用溫度很難突破合金熔點(diǎn)溫度的80%，近似 1100 。難熔金屬的熔點(diǎn)大大超過高溫合金，約 2000。由這些金屬組成的合金，可獲得比高溫合金更高的高溫強(qiáng)度。表2 一些難熔金屬合金與高溫合金強(qiáng)度合金名稱抗拉強(qiáng)度/MPa11001320 154

32、0 1760 高溫合金245350-鈮合金350168119-鉬合金630385252182鉭合金560364210105鎢合金700420280210鉻合金315119-32 從表2可知，難熔金屬合金可以在更高的使用溫度下工作。然而難熔金屬合金在溫度超過900時(shí)，就會失去抗氧化性能，這阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用，目前采用保護(hù)涂層方法來解決；另外，鑄造困難，多采用鍛件，對鈮基和鉬基合金的一些簡單鑄件已獲得成功。 采用石墨、硼(硼硅克)、鎢、鉬和氧化鋁、氧化硅晶須等作為纖維與鎳鈷高溫合金組成復(fù)合材料制成的實(shí)心渦輪葉片，可使渦輪溫度和轉(zhuǎn)速提高。用二氧化釷和碳化鉿鎢絲增強(qiáng)復(fù)合材料，工作溫度達(dá)11601200

33、 。利用氧化鋁氈或單晶纖維增強(qiáng)高熔點(diǎn)鉬、鎢后，可使鎢在 1650的強(qiáng)度提高二倍，可用作火箭的噴口材料。(2) 金屬間化合物 有序金屬間化合物是一種新型金屬基高溫材料。一類長程有序結(jié)構(gòu)的化合物，如Ni3AI、NiAI、Fe3AI、FeAI、(Fe、Co、N)3V、Ti3AI等具有優(yōu)良的高溫性能。在一定溫度范圍內(nèi)(0.50.8T熔點(diǎn))，其屈服強(qiáng)度隨溫度的升33而增加，而且具有良好的抗高溫氧化性能，彈性模量高，剛度大，密度低等良好的綜合性能，是很有前途的新一代高溫材料。圖9示出金屬間化合物的溫度，該類材料的溫度介于高溫合金與陶瓷材料之間。圖9 金屬間化合物的溫度34 1) 金屬間化合物的脆性 金屬間

34、化合物的重要問題是室溫脆性，原因與其有序化排列及復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。對稱性低的晶體結(jié)構(gòu)滑移系統(tǒng)少，不同晶粒間協(xié)調(diào)變形所必須的滑移系統(tǒng)數(shù)目不多，故而易產(chǎn)生裂紋。有些合金雖然有足夠的滑移系統(tǒng)，如面心立方Ni3AI，單晶有很好的塑性，但多晶材料卻很脆，其原因是晶界脆性所致。造成晶界脆性的因素之一是有害雜質(zhì)在晶界上的偏聚；另一更為重要的原因是有序合金晶界的脆性本質(zhì)，即使是純度很高的Ni3AI，室溫仍然很脆，這主要是晶界本質(zhì)很脆的原因。 關(guān)于這一脆性本質(zhì)的機(jī)制尚無統(tǒng)一的認(rèn)識，一般認(rèn)為晶界脆性是由于有序能高，以及由于構(gòu)成組元的原子尺寸、化合價(jià)不同，在晶界附近造成電荷不均勻分布，導(dǎo)致晶界結(jié)合力降低。 可通過

35、下列方法進(jìn)行改善： 加入置換元素，改變原子間鍵合狀態(tài)和電荷分布，以改善塑性。如在35 Ni3AI 有序化合物中加入鐵和錳，通過Ni-Mn和Ni-Fe稀釋Ni-AI 間共價(jià)鍵，使電荷分布均勻化，改變晶界性能。通過合金化改變有序結(jié)構(gòu)的類型。如Co3V有序合金為六方結(jié)構(gòu)，呈脆性；而通過用鐵、鎳取代部分鈷后，六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成面心立方結(jié)構(gòu)，因而材料的室溫塑性獲得很大的改善，室溫拉伸的伸長率由0提高到35。微合金化強(qiáng)化晶界。如Ni3AI合金中加人微量硼而消除了晶界脆性，斷裂的形式由原來的晶間斷裂變?yōu)榇┚嗔?，顯著地提高合金的塑性。材料的純化是降低流變應(yīng)力的基本方法之一。使用高純原材料后，室溫時(shí)很脆的TiAI

36、合金的伸長率可達(dá)2.7。細(xì)化晶粒。細(xì)化第二相組織以及加入彌散第二相質(zhì)點(diǎn)，從而提高合金的塑性。36 2) 幾種代表性的金屬間化合物 絕大多數(shù)金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)，都與金屬材料的三種基本點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，即BCC、FCC、HCP有關(guān)。 Ni3AI金屬間化合物合金具有面心立方長程有序LI2結(jié)構(gòu)，是鎳基高溫合金中的強(qiáng)化相，目前已研究出IC-50、IC-218、IC-221、IC-375等?？梢怨倘茉S多元素而不失其長程有序結(jié)構(gòu)，是提高其強(qiáng)度的有效途徑。固溶元素可分為三類；能置換鋁位置的硅、鍺、鈷、釩、鉿；能置換鎳位置的銅、鈷、鉑；能同時(shí)置換鎳和鋁位置的鐵、錳、鉻等。TiAI金屬間化合物合金為面心四方有序結(jié)構(gòu)L

37、I0，屬稍微變形的面心立方體，四個(gè)鋁原子占據(jù)側(cè)面的中心位置，c/a=1.02，合金的密度為3.7-3.9g/cm3，熔點(diǎn)較高，因此使用溫度可達(dá)1000。由于晶體對稱性低，滑移系少，此外共價(jià)鍵電子數(shù)在總價(jià)電子數(shù)中所占比例較大，約占30左右，因此室溫時(shí)呈脆性，即使單晶TiAI合金也很脆。加入錳、釩、鉻等合金元素可改善室溫脆性，拉伸伸長率最高可達(dá)3左右。添加錳可使c/a1，并促進(jìn)孿晶變形，細(xì)化晶粒，改善塑性。37NiAI合金是體心立方B2結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高(1638)、密度低(5.868/cm3)，具有良好的抗氧化性能。主要問題是多晶材料的脆性和500以上強(qiáng)度較低。由于NiAI合金室溫下只有三個(gè)獨(dú)立的滑移

38、系，塑性較差。目前塑性的改善主要通過細(xì)化晶粒，采用快速凝固、粉末冶金等工藝和合金化。加鐵可形成兩相組織(Ni、Fe) (Fe、Al)和(Ni、Fe)3 (Fe、Al)，提高屈服強(qiáng)度，促進(jìn)滑移，改善塑性。通過機(jī)械合金化，加氧化物質(zhì)點(diǎn)或TiB2質(zhì)點(diǎn)也可以提高強(qiáng)度，但其脆性至今尚未獲得根本的解決。Ti3AI金屬間化合物合金具有密排六方(DO19)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，密度為 4.2g/cm3。在800850時(shí)具有良好的抗氧化性和耐熱性能。在室溫時(shí)只有一個(gè)滑移系0001(1120)，因此塑性很差， 600以下產(chǎn)生解理斷裂，600以上塑性增加。增塑最有效的方法是加入穩(wěn)定元素鈮、釩、鉬，其中鈮的作用最為顯著。其作用

39、是降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，使2 組織更細(xì)，減小滑移長度。加入稀土氧化物彌散第二相也可以使Ti3AI合金增加塑性，還可采用快速凝固工藝細(xì)化組織以分散滑移。38圖10 復(fù)合材料與高溫合金強(qiáng)度比較以金屬間化合物為基的復(fù)合材料(IMC)，是一種較為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)度纖維可以承受很高的負(fù)荷，進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度。目前SiC/TiAI、Nb、SiC/Ni3AI、NiAI為有基體的復(fù)合材料。圖10示出了復(fù)合材料與高溫合金強(qiáng)度比較。可見，復(fù)合材料具有較優(yōu)越的性能。39(1) 高溫合金的熔煉 當(dāng)我們確定了所需高溫合金的化學(xué)成分，就需要將各種原材料通過熔煉工藝冶煉成確定成分的高溫合金錠，包括鋼錠和母合金錠

40、。為了保證高溫臺金具有優(yōu)異的質(zhì)量水平，必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分和提高純潔度，而這主要取決于冶煉技術(shù)。一種質(zhì)量很差的高溫合金鑄錠，不可能生產(chǎn)出可靠的熱鍛零部件，因此熔煉工藝在高溫合金工藝技術(shù)中占有非常重要的地位。高溫合金可以采用多種冶煉方法，既可以用電弧爐、感應(yīng)爐或真空感應(yīng)爐進(jìn)行一次熔煉，也可以用電渣爐或真空自耗爐進(jìn)行二次熔煉，有的甚至采用三次熔煉，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。選用什么樣的工藝路線，主要根據(jù)高溫合金的成分特點(diǎn)進(jìn)行選取。 我國在五十年高溫合金生產(chǎn)實(shí)踐中，熔煉技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，從最初的電弧爐、感應(yīng)爐熔煉到今天多種熔煉工藝的組合，熔煉了各種各樣的高溫合金，滿足了我國國防和民用工業(yè)對高溫合金日益增加

41、的需求。7.高溫合金制備工藝40 選用工藝路線主要根據(jù)高溫合金的成分特點(diǎn)。合金化程度低，可以選用大氣下電弧爐或感應(yīng)爐熔煉，或者再進(jìn)行電渣重熔或真空自耗重熔。如果合金化程度很高，通常都采用真空感應(yīng)爐熔煉，然后再經(jīng)真空自耗爐或電渣爐進(jìn)行二次熔煉。一些大錠型優(yōu)質(zhì)合金已采用真空感應(yīng)爐加電渣爐加真空自耗爐三聯(lián)工藝進(jìn)行聯(lián)合熔煉。通過三聯(lián)工藝中的電渣重熔可以去除真空感應(yīng)熔揀電極中的部分夾雜物，并為真空自耗爐重熔提供致密、無缺陷的電極，保證了重熔過程的穩(wěn)定性進(jìn)一步改善了純潔度，降低了宏觀偏析傾向。美國已把三次熔煉作為高合金化合金擴(kuò)大錠型，消除低倍缺陷和提高質(zhì)量的重要措施。 1) 高溫合金的電弧爐冶煉 電弧爐煉

42、鋼是利用電極和爐料之間放電產(chǎn)生的電弧熱，借助輻射和電弧的直接作用將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜岵⑷刍饘俸蜖t渣，冶煉出所需要的鋼和合金的一種煉鋼方法。高溫合金在電弧爐冶煉條件下，與其他特殊鋼冶煉一樣，整個(gè)過程是由氧化還原反應(yīng)41所控制的。但由于高溫合金的化學(xué)元素種類繁多，合金化程度高，而且其中許多元素是易氧化的，同時(shí)對雜質(zhì)元素和氣體的含量要求非常嚴(yán)格，因此在大氣下采用電弧爐熔煉，鋼中Al、Ti等活潑元素因燒損而較難控制；元素的燒損以及鋼液與耐火材料之間的化學(xué)反應(yīng)都會形成大量的夾雜物；熔煉時(shí)嚴(yán)重增碳；原材料的放氣和脫氧劑運(yùn)用不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致脫氧不佳。這些都將嚴(yán)重影響高溫合金的質(zhì)量，因而高溫合金的電弧爐冶煉工藝

43、具有它獨(dú)特的特點(diǎn)。電弧爐設(shè)備的基本結(jié)構(gòu) 電弧爐設(shè)備主要由爐殼、爐蓋、傾動機(jī)構(gòu)、電極裝置、爐頂裝料系統(tǒng)、電氣設(shè)備等幾部分組成。爐蓋旋轉(zhuǎn)式爐頂裝料電弧爐即HGX系列電爐是我國生產(chǎn)的主要系列，其爐體傾動、電極升降、爐蓋提升及旋轉(zhuǎn)等采用液壓傳動。電弧爐冶煉高溫合金工藝特點(diǎn)為了減少稀缺貴重元素的氧化燒損，提高收得率，冶煉方法基本采用不氧化法，鋁、鈦元素多以中間合金形式加入。42所用原材料要精，即原材料中的P、S、Pb、Sb(銻)、Sn(錫)、As(砷)、Bi(鉍)等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)元素和氣體含量要低，其中有害雜質(zhì)含量應(yīng)小于光譜一級純，即Pb 0.0001、Sn0.0012 、As0.0025、Sb0.00

44、25、Bi0.001。所用的原料和輔助材料都要經(jīng)過烘烤，保證干燥，水分要低，防止氣體增加。采用擴(kuò)散脫氧和沉淀脫氧相結(jié)合的綜合脫氧法，且脫氧劑選用脫氧能力強(qiáng)的材料。擴(kuò)散脫氧劑主要有鋁粉、矽鈣粉。強(qiáng)制脫氧劑有矽鈣塊、金屬鈣、金屬鈰、鋁鋇合金以及鋁塊等。脫氧良好的高溫合金具有良好的熱加工塑性。 2) 感應(yīng)爐冶煉 感應(yīng)爐冶煉是非真空感應(yīng)爐（又稱常壓感應(yīng)爐）冶煉的簡稱，是特種冶金中最常用的一種冶煉工藝。它利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄硪睙捊饘?。感?yīng)爐熔煉能更有效地冶煉一些電弧爐所難以冶煉的合金鋼及合金，因此一般特殊鋼廠都有感應(yīng)爐冶煉設(shè)備。采用非43真空感應(yīng)爐冶煉一方面是由于某些合金因其成分特點(diǎn)有特殊

45、要求，如GH3044合金因W含量高，在大的電弧爐中冶煉會引起比重偏析。同時(shí)在電弧爐中冶煉增C也較厲害，所以選擇非真空感應(yīng)爐冶煉較為合適；另一方面是用非真空感應(yīng)爐冶煉易于控制成分和很好的利用返回料。感應(yīng)爐熔煉特點(diǎn) 感應(yīng)爐與電弧爐相比較，感應(yīng)爐熔煉的特點(diǎn)為：無接觸加熱、冷渣和電磁攪拌，具體如下：感應(yīng)爐采用電磁感應(yīng)加熱來熔化金屬，沒有碳質(zhì)電極，在冶煉過程中不會增碳，所以感應(yīng)爐可以冶煉低碳甚至無碳高溫合金；感應(yīng)爐沒有電弧作用，金屬吸氣的可能性小，熔煉出的高溫合金氣體含量低；鋼液的電磁攪拌有利于鋼液成分和溫度均勻，加速渣鋼反應(yīng)，并可促進(jìn)非金屬夾雜物脫除。同時(shí)能精確控制溫度，保證操作穩(wěn)定性；感應(yīng)爐熔煉高溫

46、合金爐料被氧化的機(jī)會小，易氧化元素收得率高；44感應(yīng)爐熔渣屬于冷渣”。由于感應(yīng)爐熔煉時(shí)，爐渣不能被感應(yīng)加熱，其加熱和熔化完全依靠鋼液對它的熱傳導(dǎo)，因此爐渣溫度低，流動性差，不具備爐渣脫磷、脫硫的條件，一般也不能脫碳，在冷渣中某些物理化學(xué)反應(yīng)受到不同程度的限制；感應(yīng)爐煉鋼所用渣量少，鋼渣比接觸面積小。感應(yīng)爐熔煉的渣量通常為2%, 電弧爐熔煉的渣量一般為4；精煉只是調(diào)整鋼水溫度、成分及脫氧。通常感應(yīng)爐冶煉的鋼中非金屬夾雜物的總量也偏高；增渦使用壽命低，耐火材料消耗大，冶煉成本較高。對原材料的要求 感應(yīng)爐對原材料的要求比電弧爐要嚴(yán)格的多。冶煉高溫合金所用原材料都要分析化學(xué)成分。金屬和重金屬有害雜質(zhì)含

47、量要盡可能低；氣體含量要少；原材料表面要干凈無銹；塊度要適中，并存放在干燥處。45 3) 真空感應(yīng)爐冶煉 將感應(yīng)爐放在真空中讓高溫合金進(jìn)行熔化和精煉的方法叫做高溫合金的真空感應(yīng)熔煉法(VIM)。目前，高合金化優(yōu)質(zhì)高溫合金幾乎毫無例外地都采用真空感應(yīng)熔煉法作為一次熔煉，然后再進(jìn)行二次熔煉，甚至三次熔煉。 20 世紀(jì)40年代采用常壓冶煉，高溫合金的使用溫度限制在約750。20 世紀(jì)50 年代發(fā)明了真空技術(shù)，采用真空冶煉提高了高溫合金質(zhì)量，改進(jìn)了熱加工性能，因而可以進(jìn)一步增加合金元素，使變形高溫合金的使用溫度由800左右提高到950。以后，利用真空冶金技術(shù)發(fā)展了鑄造高溫合金，在相同成分下，鑄造高溫合

48、金的使用溫度比變形合金提高約30。由于鑄造成型免去了熱加工的困難，還可以進(jìn)一步提高Al、Ti、Nb、Ta等強(qiáng)化元素含量，又可提高使用溫度20。因此，真空冶煉在高溫合金的發(fā)展過程中起了非常重要的作用。 20世紀(jì)20年代工業(yè)用真空感應(yīng)爐投入使用。德國于1923年用真空感應(yīng)爐熔化Co、Ni合金，容量4t，功率350kW。此后真空感應(yīng)爐逐漸發(fā)展。46 1958年容量為1t的真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金投產(chǎn)，1961年6t容量的真空感應(yīng)爐也已投產(chǎn)。容量為60t的真空感應(yīng)爐于1968年在美國已正式用于生產(chǎn)，真空度可達(dá)1.3310-2 Pa。 國內(nèi)的幾個(gè)特殊鋼廠在80年代引進(jìn)3/6t真空感應(yīng)爐的基礎(chǔ)上，近年來已裝

49、備了具有當(dāng)代世界先進(jìn)水平的12t大型真空感應(yīng)爐。先進(jìn)的電磁攪拌系統(tǒng)可加速熔化及溫度和成分的均勻性，澆注時(shí)經(jīng)2層擋渣和陶瓷過濾保證鋼水的純潔度，其熔煉參數(shù)曲線可自動進(jìn)行過程控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可把冶煉過程參數(shù)，如功率、頻率、真空度、漏氣、溫度率等隨時(shí)顯示并自動記錄，保質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，并為產(chǎn)品提供長期、真實(shí)和完整的可追溯性。真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金的特點(diǎn) 真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金的一切特點(diǎn)都來自于“真空”二字。這種方法，可以避免大氣熔煉和澆注所產(chǎn)生的合金元素，特別是較活潑元素易燒損不易控制以及合金中氣體、非金屬夾雜物及有害金屬雜質(zhì)含量較高等缺點(diǎn)，具體如下： 47在真空下金屬材料熔化、精煉、合金化和澆

50、注，避免了與空氣相互作用而污染，冶煉出的高溫合金純凈度高。在真空條件下，隔斷了金屬與空氣接觸，金屬不易氧化，可精確地控制高溫合金的化學(xué)成分，特別是把與氧、氮親和力強(qiáng)的活性元素如Al、Ti、B、Zr、Nb、稀上元素等嚴(yán)格控制在很窄范圍內(nèi)。Al和Ti在真空下可控制在12范圍，而在空氣中最多只能控制在25范圍。例如，在6t感應(yīng)爐真空熔煉Inconel718，統(tǒng)計(jì)100爐生產(chǎn)中各活潑元素的波動范圍，得出Nb和AI的波動幾乎在分析誤差范圍之內(nèi)。而這種合金中Nb含量每增加0.1%，可以提高屈服強(qiáng)度約10MPa，在常壓下冶煉就很難保證。又如V-57的最佳綜合性能只有在Si 0.2、C在0.040.08之間才

51、能得到，范圍如此嚴(yán)格，只有采用真空感應(yīng)熔煉才能保證。在真空下冶煉，創(chuàng)造了良好的去氣條件，使熔煉的高溫合金氫、氧、氮?dú)怏w含量低。48原材料帶入的低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)，如Te、Pb、Se、Bi、Cu、Sb、As、Sn等，由于它們的蒸氣壓都很高，在真空下可揮發(fā)去除一部分，使材料得到提純。例如，有一種變形鎳基合金，成分為0.2C、20Co，5Mo，1.5Ti，4.8Al，0.05Zr，0.003B，真空熔煉前后的鉛含量變化由5ppm(體積濃度)降到2ppm (受分析精度所限)，性能大為提高，940、110MPa下的持久時(shí)間由72h延長到153h，延伸率由5提高到20。在真空條件下，碳的脫氧能力很強(qiáng)，提高幾個(gè)

52、數(shù)量級，其脫氧產(chǎn)物CO被不斷抽出爐外，使反應(yīng)不斷進(jìn)行，從而克服了采用金屬脫氧所帶來的脫氧產(chǎn)物。爐內(nèi)的氣氛及氣壓可選擇控制，例如，有時(shí)需要通Ar氣保護(hù)，因而合金元素氧化燒損少，利用率高，這是真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金的一個(gè)最顯著的特點(diǎn)。電磁感應(yīng)攪拌使熔體成分均勻,加速熔體表面反應(yīng)，縮短熔煉周期。49改善熱加工性能，提高成材率。一般來說，合金中含有5以上的鋁和鈦時(shí)，錠的開坯不能采用自由鍛造，然而采用真空感應(yīng)冶煉，即使鋁鈦含量高達(dá)9，也可以加工，而且真空冶煉的合金，成材率也高;真空感應(yīng)冶煉有利于應(yīng)用返回料，甚至有的比新料還要好，如Incoloy901經(jīng)二次重熔后，不但強(qiáng)度提高，塑性也改善了；真空感應(yīng)爐仍

53、然有不足之處： (1)仍存在著高溫合金熔體與坩鍋耐火材料反應(yīng)，污染熔體；(2)合金錠的結(jié)晶組織與普通鑄錠一樣，晶粒粗大，不均勻，縮孔大，凝固偏析嚴(yán)重；(3)因?yàn)樵谡婵障氯蹮挷荒芟蠓钦婵杖蹮捘菢右子谌墼摿颍詫Ω吡蛟牧系氖褂糜兴拗疲?4)個(gè)別鋼種不宜采用真空熔煉，如含錳(75%95%)的GH2036合金，在真空下熔煉會因錳揮發(fā)而嚴(yán)重影響合金的成分與性能。不能連續(xù)生產(chǎn)，出鋼后坩鍋會產(chǎn)生高溫氧化，污染下一爐合金。50真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金的原理 真空感應(yīng)爐熔煉高溫合金的原理是利用電磁感應(yīng)在爐料中產(chǎn)生渦流使其加熱和熔化，并通過真空脫氧、脫氮、雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)以及控制熔體與坩鍋?zhàn)饔玫纫幌盗形锢砘瘜W(xué)反

54、應(yīng)，冶煉出化學(xué)成分準(zhǔn)確且純潔度高的高溫合金錠。圖11 德國進(jìn)口500kg半連續(xù)真空感應(yīng)爐外貌51 4) 真空自耗爐重熔 真空自耗爐，也叫真空電弧爐，利用低電壓下電弧熱來加熱和熔煉金屬。這種工藝起始于1839年，20世紀(jì)50年代開始用于重熔高溫合金。實(shí)際應(yīng)用過程中，很多高牌號高合金化高溫合金，要求制作渦輪葉片和渦輪盤等重要零件，對高溫合金質(zhì)量要求更高。因此，需要采用真空自耗爐或電渣爐進(jìn)行二次熔煉，有的甚至需要三次熔煉。 真空自耗重熔的冶金特點(diǎn) 高溫合金電極在直流電弧作用下被加熱，頂端被逐步熔化，熔融狀態(tài)下的電極熔滴落到水冷結(jié)晶器中，熔滴形成過程、下落過程和進(jìn)入熔池過程中發(fā)生了非常有利于高溫合金的

55、提純反應(yīng)，而且由于熔體與真空接觸的面積大大增加，使這些化學(xué)反應(yīng)更加強(qiáng)烈地朝著生成氣相的方向發(fā)展。有利于去除熔解于高溫合金熔體中的氣體，氫和氮。因?yàn)楦哒婵諚l件下，氣相分壓降低，根據(jù)氣體在溶液中的平方根定律，H22H，N2=2N，則合金熔體中的氫和氮的溶解度也隨之降低，氫含量可降低8%，而化合態(tài)氮由于熔化速率較高，難于去除。52根據(jù)真空中碳和氧反應(yīng)，真空自耗重熔有利于氧含量降低，同時(shí)氧化物夾雜在真空條件下上浮、分解和揮發(fā)，可以明顯降低高溫合金熔體中的氧含量和夾雜物含量。有利于去除有害雜質(zhì)，如Pb、Ag、B、Sb等金屬和類金屬雜質(zhì)含量通過真空自耗重熔可明顯降低。改善夾雜物的形態(tài)與分布，由于在水冷銅結(jié)

56、晶器中冷凝，合金相當(dāng)于定向凝固，同時(shí)，重熔過程中夾雜物要溶解和再生成，所以夾雜物分布彌散。由于不接觸耐火材料，因而避免了外來非金屬夾雜物的污染?；顫娫谹l、Ti等的燒損少，合金化學(xué)成分穩(wěn)定。合金液在水冷結(jié)晶器中凝固結(jié)晶，在高的過冷度條件下，由底部以樹枝晶方式逐漸向上生長，從而減少了中心疏松，減輕了化學(xué)元素的偏析，頭部可以得到充分補(bǔ)縮，避免中心縮孔，因而得到組織均勻而致密的合金錠，改善了熱加工性。53真空自耗爐重熔的原理 真空自耗爐重熔是將一次熔煉的高溫合金電極捧，在真空無渣的條件下，利用低壓直流電弧作熱源，將自耗電極逐漸熔化，熔化的高溫合金液滴滴入水冷銅結(jié)晶器內(nèi)，再凝固成錠。熔滴通過高達(dá)50

57、00K的電弧區(qū)，向結(jié)晶器中過渡，高溫合金液與真空大面積接觸，在高真空下得到精煉。熔融金屬在結(jié)晶器內(nèi)匯集成熔池，繼續(xù)獲得真空精煉。在金屬熔滴形成和下落過程中以致在熔池內(nèi)，均要發(fā)生一系列的冶金反應(yīng)，如不穩(wěn)定的氧化物或氮化物的解離或還原，氣體（特別是氫和氧）的排除和有害雜質(zhì)的揮發(fā)等，同時(shí)受水冷銅制結(jié)晶器強(qiáng)制冷卻作用，因而易得到定向結(jié)晶、組織致密、成分均勻及夾雜物分散均勻的錠材，從而可消除各種宏觀和微觀組織缺陷，克服了一次熔煉高溫合金錠的缺點(diǎn)。所以真空自耗爐重熔是將提純凈化和改善鑄錠結(jié)晶組織集中在一道工序完成，使合金的工藝塑性和持久塑性顯著改善。54 5) 高溫合金的電渣爐重熔 電渣重熔是20世紀(jì)50

58、年代在電渣焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它作為一種新的冶煉方法，在20世紀(jì)60年代獲得了飛速發(fā)展。為了提高金屬質(zhì)量，電渣重熔工藝已被國內(nèi)外冶金廠廣泛采用。到目前為止，電渣重熔工藝已成為我國生產(chǎn)高溫合金的一種主要工藝路線，有近一半的高溫合金牌號采用了這種工藝。由于電渣重熔在凈化高溫合金，減少合金中偏析和改善合金錠結(jié)晶組織方面具有優(yōu)越性，所以被廣泛應(yīng)用于高溫合金等優(yōu)質(zhì)鋼的重熔精煉。電渣重熔高溫合金可鍛性好，鍛材表面質(zhì)量優(yōu)良，成材率高。所以電渣重熔在高溫合金的生產(chǎn)中具有十分重要的作用。電渣重熔的冶金特點(diǎn)電渣重熔時(shí)的熱量分布 在電渣重熔過程中，當(dāng)電流流過渣池時(shí)，渣池中要放出熱量。掌握渣池中的熱量分布狀況對于調(diào)整

59、重熔工藝和提高冶金質(zhì)量具有重要意義。電渣重熔過程中，渣池中的熱量消耗主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)熔化電極、使渣池和熔池保持熔551-自耗電極的預(yù)熱和熔化消耗的熱量；2-通過液渣與結(jié)晶器接觸面而散失的熱；3-電極表面向結(jié)晶器壁的輻射及電極軸向的傳導(dǎo)熱 量；4-渣池表面向結(jié)晶器壁的輻射熱量；5-渣池表面向大氣輻射的熱量；6-渣池表面向電極輻射的熱量；7-渣池表面由蒸發(fā)物及廢氣公出帶走的熱量；8-鋼錠傳向結(jié)晶器壁的熱量；9-錠內(nèi)儲存的熱量；10-鋼錠傳給底水箱的熱量圖12 電渣重熔熱量消耗分配示意圖 化和過熱狀態(tài)；(2)結(jié)晶器底盤冷卻水熱損；(3)渣池輻射熱損；(4)廢氣煙帶走熱量。由于熔煉制度、

60、結(jié)晶器直徑和高度、所選用熔渣的導(dǎo)電性以及一系列其它因素的影響，上述各項(xiàng)熱損大小不同，熱量分布特征也不同。圖12是渣池中熱量分布示意圖。56渣池內(nèi)的溫度分布 電渣重熔過程中渣池內(nèi)溫度分布是不均勻的，但存在一個(gè)溫度較高且分布較均勻的“高溫區(qū)”，其溫差約為圖13 電渣重熔過程中的渣池溫度分布 30。圖13是在直徑為360mm的水冷銅結(jié)晶器內(nèi)重熔直徑為180mm的某合金時(shí)，渣池內(nèi)溫度分布的實(shí)測值。圖13中電極端部、金屬熔池碴池界面及虛線包圍的區(qū)域即為“高溫區(qū)”。渣池內(nèi)溫度的不均勻分布主要是由于不同部位電流密度及渣流速的不均勻分布所致，其次是受冷卻條件的影響。高溫區(qū)溫度取決于輸入功率、渣系組成、合金錠大