高溫合金PPT講解課件

1、(最新整理)高溫合金PPT講解2021/7/261高 溫 合 金5.1 高溫合金概述5.2 高溫合金分類和牌號表示法5.3 高溫合金的強化2021/7/262概念： 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屬材料。性能特點： 高溫合金具有較高的高溫強度； 良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能； 良好的疲勞性能、斷裂韌性、塑性。組織特點： 高溫合金為單一（奧氏體）基體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用的可靠性。1 高溫合金概述2021/7/263國外高溫合金發(fā)展狀況1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling將少量的Ti和Al加入到 80

2、Ni-20Cr電工合金，蠕變顯著強化。1937年：德Hans von ohain渦輪噴氣發(fā)動機Heinkel問世。1939年：英研制出Whittle渦輪噴氣發(fā)動機。1939年：英Mond鎳公司(國際鎳公司)研制出鎳基合金Nimonic 75，準備用作Whittle發(fā)動機渦輪葉片，后為Nimonic 80取代，其含鋁、鈦，蠕變性能比Nimonic 75高50。1942年：Nimonic 80用作渦輪噴氣發(fā)動機的葉片，成為最早的Ni3(A1，Ti)強化的渦輪葉片材料。此后，該公司在合金中加入硼、鋯、鈷、鉬等合金元素，相繼開發(fā)了Nimonic80A、Nimonic 90等合金，形成Nimonic合金

3、系列。 1 高溫合金概述2021/7/2641932年：美國Halliwell開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金K42B，用以制造活塞式航空發(fā)動機的增壓渦輪。1941年：美國開始發(fā)展航空燃氣渦輪。1942年：Hastelloy B鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發(fā)動機及其后的I-40噴氣發(fā)動機。1944年：西屋公司的Yan Kee19A發(fā)動機采用鈷基合金HS 23精密鑄造葉片。1950年美國出兵朝鮮，由于鈷的資源短缺，鎳基合金得到發(fā)展并被廣泛用作渦輪葉片。美國的PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金。并在這些合金發(fā)展基礎上

4、，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號系列。 2021/7/265 制造工藝對高溫合金的發(fā)展起著極大的推進作用。二十世紀40年代50年代中期： 通過合金成分的調整來提高合金的性能。二十世紀40 年代： 出現(xiàn)了真空熔煉技術，去除合金中有害雜質和氣體，精確控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的鑄造高溫合金。二十世紀60年代： 定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究開發(fā)。其中定向凝固工藝所起的作用尤為重要，采用定向凝固工藝制出的單晶合金，其使用溫度接近合金熔點的90，至今，各國先進航空發(fā)動機無不采用單晶高溫合金渦輪葉片。

5、2021/7/266我國高溫合金發(fā)展歷程1956年：正式開始研制生產高溫合金，第一種高溫合金是GH3030，用作WP5火焰筒（殲-5），由撫順鋼廠、鞍山鋼鐵公司、冶金部鋼鐵研究總院、航空材料研究所和410廠共同試制1957年：通過長期試車后投入生產。1957年底，繼GH3030合金之后，WP5發(fā)動機用的GH4033(DH437B)、K412合金相繼試制成功。1960年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等高溫合金2021/7/26770年代初：高溫合金的生產試制和研究已初具規(guī)模，通過仿制、消化和發(fā)展蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金及其工藝，質

6、量達到或超過蘇聯(lián)標準和實物水平。 我國資源缺鎳少鈷，鐵基高溫合金的研制、生產和應用成為六七十年代的主線。 至70年代初，研制生產的鐵基高溫合金牌號達33個，其中我國獨創(chuàng)的達18種之多。大量應用至今的有GHll40、GH2135、GH35A和K213等4種合金。70年代后：引進歐美發(fā)動機WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生產WP13等發(fā)動機，引進和試制了一批歐美體系的高溫合金，使我國高溫合金生產水平接近西方工業(yè)國家的水平。 自行研究和開發(fā)了一批新的鎳基合金，如GH4133、GH4133B、GH3128、GHl70、K405、K423A、K419等。2021/7/26840多年來： 研

7、究、試制和生產了100多種高溫合金，總計產量達6萬t左右。生產高溫合金的裝備：大型真空感應爐、不同容量的電渣爐、17t大型真空電弧爐、200kg真空電子束爐以及大型快鍛、精鍛機、擠壓機、水壓機等設備。 國際公認的工藝技術：低偏析新技術和加鎂微合金化技術。通過低偏析技術，控制雜質元素磷、硫、硅等的低含量，創(chuàng)制了一系列低偏析合金，其承溫能力比原型合金高2025。在國外加Mg凈化材質和改善熱加工性能基礎上，我國七八十年代進一步發(fā)現(xiàn)Mg的偏聚晶界、改變晶界行為可顯著提高合金的持久強度和塑性等性能。 1964年開始，高溫合金應用于民用工業(yè)部門，如柴油機增壓渦輪、地面燃氣輪機、煙氣輪機、核反應堆燃料空位格

8、架等。在民用工業(yè)的推廣應用中，除傳統(tǒng)的高溫高強度的高溫合金外，還相繼開發(fā)出一批高溫耐磨和高溫耐蝕的高溫合金。 2021/7/269高溫合金的用途 航空發(fā)動機：現(xiàn)代航空發(fā)動機中用量占發(fā)動機總量的4060，主要用于四大熱端部件：導向器、渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室?；鸺l(fā)動機及燃氣輪機高溫熱端部件 70年代以來，高溫合金在原子能、能源動力、交通運輸、石油化工、冶金礦山和玻璃建材等諸多民用工業(yè)部門得到推廣應用，這類高溫合金中一部分主要仍然利用高溫合金的高溫高強度特性，而另有一大部分則主要是開發(fā)和應用高溫合金的高溫耐磨和耐腐蝕性能。 目前美國高溫合金總產量約為每年2.33.6萬t，大約1213應用于耐蝕的

9、材料。高溫耐磨耐蝕的高溫合金，由于主要目標不是高溫下的強度，因此這些合金成分上的特點是以鎳、鐵或鈷為基，并含有大約2035的鉻，大量的鎢、鉬等固溶強化元素，而鋁、鈦等形成元素則要求含量甚少或者根本不加入。2021/7/2610高溫合金的質量要求：外部質量：外部輪廓形狀、尺寸精度、表面缺陷清理方法。 鍛制圓餅：鼓形、無歪扭；鍛制或軋制棒材不圓度直徑偏差的70，彎曲度 6mm/1000mm；熱軋板材不平度l0mm/1000mm。內部質量：化學成分、組織、力學及物理和化學性能等。 化學成分：除主元素外，對氧、氫、氮及鉛、鉍、錫、銻、銀、砷等含量都有要求。高溫合金分析元素達20多種，單晶高溫合金分析元

10、素達35種。鉍、硒、碲、鉈等含量10-6。 組織：低倍和高倍組織、高溫下組織穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)（鑄態(tài)、加工態(tài)或熱處理態(tài)、高溫長期時效后相應的力學性能），其檢測項目有晶粒度、斷口分層、疏松、晶界狀態(tài)，夾雜物的大小和分布，純潔度等。 力學性能：室溫及高溫拉伸性能和沖擊韌性、高溫持久及蠕變性能、硬度、高周和低周疲勞性能、蠕變與疲勞交互作用下的力學性能，抗氧化和抗熱腐蝕性能。 高溫合金物理常數(shù)：密度、熔化溫度、比熱、熱膨脹系數(shù)和熱導率等。 用戶還對生產過程進行控制：對生產中的原材料、生產工藝、生產設備和測量儀表、操作工序和操作人員素質。生產和質量管理水平等進行考核和“凍結”。 合金轉廠生經有關航空生產工程來

11、源批準后，生產出的合金必須檢驗三爐批全面性能，并檢查主要生產工序中半成品質量。 新研制的合金還需經地面臺架試車和空中試飛。2021/7/2611高溫合金分類：按合金基體元素種類分： 鐵基高溫合金：含鎳量達2560，又稱為鐵鎳基合金 鎳基高溫合金 鈷基高溫合金按合金強化類型分： 固溶強化型合金 時效沉淀強化型合金按合金材料成形方式分： 變形高溫合金：餅、棒、板、環(huán)形件、管、帶和絲 鑄造高溫合金：普通精密鑄造、定向凝固和單晶合金 粉末冶金高溫合金：普通和氧化物彌散強化合金按使用特性： 高強度合金、高屈服強度合金、抗松弛合金、低膨脹合金、抗熱腐蝕合金等。5.2 高溫合金分類和牌號表示法2021/7/

12、2612 國外高溫合金牌號按生產廠家的注冊商標命名： 牌號 注冊商家CMSX Cannon-Muskegon Corporation(佳能-穆斯克貢公司)Discaloy Westinghouse corporation(西屋公司)Gatorize United Aircraft Company(聯(lián)合航空公司)Haynes Haynes Stellite C0mpany(漢因斯司泰特公司)Hastelloy Cabot Corporation(鈷業(yè)公司)Inconel Inco Alloys International,Inc(國際因科合金公司)Mar-M Martin Marietta co

13、rporation(馬丁馬麗塔公司)Multiphase Standard Pressed Steel Co(標準壓制鋼公司)Nimonjc Mond Nickel Company(蒙特鎳公司)Rene General Electric Company(通用電氣公司)REP Whittaker Corporation(惠特克公司)Udmit Special Metal,Inc,(特殊金屬公司)Unitemp Universal-Cyclops steel Corporation(宇宙-獨眼巨人鋼公司)Vitallium Howmet Corporation(豪梅特公司)Waspaloy Pra

14、tt&Whitney Company(普拉特-惠脫尼公司)2021/7/2613我國高溫合金：漢語拼音字母成形方式強化類型與基體組元變形高溫合金：“GH 4位阿拉伯數(shù)字” “G”、“H”分別為“高”、“合”漢語拼音的第一個字母 “GH”后的第一位數(shù)字為分類號： l和2鐵基或鐵鎳基高溫合金 3和4鎳基合金 5和6鈷基合金 1、3和5固溶強化型 2、4和6時效沉淀強化型 “GH”后的第2、3、4位數(shù)字則表示合金的編號。 GH4169：時效沉淀強化型鎳基高溫合金，編號169鑄造高溫合金：“K 3位阿拉伯數(shù)字” 。 “K”后第1位數(shù)字表示分類號，其含義與變形合金相同 2、3位數(shù)字合金編號。 K418：

15、時效沉淀強化型鎳基鑄造高溫合金，編號182021/7/2614合金牌號國外牌號CCrNiCoWMoAlTiFeNb其他K211BAT-45Y0.152046-8-余-K401AHB-3000.0515.5余-8.5-51.8-K406GMR-235D0.1515.5余-5.53.752.5-K409B-19000.18余10-661-Ta44.5K417IN-1000.189余15-35.24.8-K417GRene1000.189余10-35.24.4-K418IN713C0.1212.5余-5.360.8-2.2-K419TRW-VIA0.116余121025.31.2-2.9-K438I

16、N7380.1516余8.52.61.73.253.3-0.9Ta1.5-2K640X-400.525.510.5余7.5-K644FSX-4140.2529.510.5余7.3-2021/7/2615粉末高溫合金：“FGH”后跟阿拉伯數(shù)字表示焊接用的高溫合金絲：“HGH”后跟阿拉伯數(shù)字MGH機械合金化粉末高溫合金DK定向凝固高溫合金DD單晶鑄造高溫合金70年代以前，我國高溫合金牌號簡單，變形高溫合金只有3位數(shù)字編號，鑄造高溫合金只有2位數(shù)字編號，即省略了前綴后的表示基體類別和強化型類別的第一位數(shù)字，如“K17”，即現(xiàn)在的“K417”，“GH39”即為現(xiàn)在的“GH3039”2021/7/261

17、6 鎳基高溫合金應用廣泛，鐵基高溫合金和鈷基高溫合金也有一定的應用。所有高溫合金都含有多種合金元素，有時多達幾十種。這些合金元素將產生合金強化。 合金強化：加入的多種合金元素與基體元素(鎳、鐵或鈷)產生作用，從而產生強化效應： 固溶強化 第二相強化(沉淀析出強化和彌散相強化) 晶界強化 工藝強化：采用新工藝，或者改善冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)從而改善合金組織結構而強化。 高溫合金強化=合金強化+工藝強化5.3 高溫合金的強化2021/7/2617基體元素的作用鎳、鐵、鈷基三類高溫合金的合金強化特點：(1)鎳為面心立方結構，沒有同素異構轉變；鐵、鈷僅在高溫下為面心立方奧氏體結

18、構，因此，鐵基和鈷基合金中須加入擴大奧氏體相區(qū)的合金元素。(2)鎳化學穩(wěn)定性較高，鈷和鐵抗氧化性低于鎳，但鈷抗熱腐蝕能力比鎳強；加鉻可顯著改善鎳基合金的抗氧性和鈷基合金的抗熱腐蝕性。(3)鎳的相穩(wěn)定性最好，鎳或鎳鉻基體可固溶更多的合金元素而不生成有害的相；鐵的相穩(wěn)定性最差，鐵或鐵鉻鎳基體只能固溶較少的合金元素，有強烈的析出各種有害相的傾向。(4)鐵的密度最小，但膨脹系數(shù)最大，導熱能力較好；鈷與鎳比較，其導熱性較好，膨脹系數(shù)較低，所以其熱疲勞性能較優(yōu)。 鎳是一種最佳的基體金屬，使得鎳基高溫合金成為最佳的高溫合金系列。鈷基合金耐熱腐蝕及耐熱疲勞性能高，可以發(fā)揮其優(yōu)勢，有較長的使用壽命，適用于高溫低

19、應力下長期使用的靜態(tài)部件。鐵基合金的使用溫度范圍較鎳基和鈷基低。 2021/7/2618高溫合金的固溶強化從物理本質分析，奧氏體固溶強化與下列因素相關：(1)溶劑原子與溶質原子大小不同引起的畸變彈性應力場的作用。(2)溶劑和溶質原子的彈性模量差別而產生的強化效應。(3)靜電交互作用引起的非均勻分布固溶強化。(4)化學交互作用引起的非均勻分布固溶強化。(5)短程有序原子分布引起的固溶強化。高溫合金的第二相強化 高溫合金第二相強化分為時效析出沉淀強化、鑄造第二相骨架強化和彌散質點強化等。 時效沉淀強化主要是(Ni3A1Ti)，(NixNb)或碳化物的時效沉淀強化。 彌散強化主要是氧化物質點或其他化

20、合物質點的強化。 鈷基鑄造合金常有碳化物骨架強化。2021/7/2619高溫合金的晶界強化 高溫形變時晶界區(qū)原子排列規(guī)則性被破壞，存在各種晶體缺陷。因此晶界在低溫形變條件下是位錯運動的阻礙，產生細化強化。但當溫度升高和應變速率降低時，晶界對位錯運動的阻礙作用降低，晶界區(qū)的積塞位錯易與晶界缺陷產生交互作用而消失，并產生晶界滑動及遷移。晶界滑動是晶界直接參與形變，有時晶界形變量可占總形變量的50%以上。這樣，高溫形變條件下晶界就成為薄弱環(huán)節(jié)。所以晶界強化是高溫合金的基本問題。強化晶界的方法： 提高合金尤其是晶界的純潔度，并對晶界微合金化 控制晶界尺寸、形狀和位向鎂的晶界強化作用機制： 1)鎂強烈平

21、衡偏析于晶界及相界。 2)鎂改善晶界第二相形態(tài)。 3鎂強烈提高晶界的性能。 2021/7/2620晶界控制 晶粒大小及其與部件厚度比對力學性能有重要影響。大晶粒材料一般有較高的持久強度與蠕變強度，較小的蠕變速率。小晶粒材料卻表現(xiàn)出有較高的抗拉強度與疲勞強度。在高溫靜態(tài)下工作的材料晶?？梢钥刂频么笠恍?，對于在中溫動態(tài)下工作的材料晶粒則應小些。 晶界的平直與彎曲對蠕變性能有重要的影響。晶界彎曲阻礙晶界滑動及楔形晶界裂紋的形成，阻止沿晶裂紋(孔洞)的連接。 消除橫向(與外應力垂直方向)晶界可有效提高高溫強度。橫向晶界，甚至樹枝晶界，總是裂紋優(yōu)先形核與擴展的地點。所以消滅橫向晶界將會推遲蠕變裂紋的形成與擴