鎳基高溫合金課件

1第一節(jié)高溫合金概述1第一節(jié)高溫合金概述2高溫合金高溫合金指６００℃～１２００℃能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。

以高熔點金屬Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃）等為基體，加入其他元素構(gòu)成的在高溫下使用的金屬材料。2高溫合金高溫合金指６００℃～１２００℃能承受一定應(yīng)力并具31、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強性、高溫蠕變性能；

2、抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞性能好；

3、比強度高和彈性模量高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好；

4、具有良好的加工工藝性能。高溫合金的特點31、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強性、高溫蠕變性能；高溫合金的特4它是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器和火箭發(fā)動機以及艦艇和工業(yè)燃氣輪機的關(guān)鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤、燃燒室和機匣等），也是核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面需要的重要高溫結(jié)構(gòu)材料。高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域4它是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器和火箭發(fā)動機以及艦艇和工業(yè)燃氣輪5高溫合金汽車增壓器噴嘴環(huán)葉片燃氣輪機渦輪零件高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域5高溫合金燃氣輪機渦輪零件高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域6高溫合金的分類

高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金和發(fā)散冷卻高溫合金。按合金基體元素，可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金，使用最廣的是鎳基高溫合金，其高溫持久強度最高，鈷基高溫合金次之，鐵基高溫合金最低。按強化方式，可分為固溶強化高溫合金、時效強化高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金。按主要用途又可分為板材合金、棒材合金和盤材合金。6高溫合金的分類高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、7高溫合金的分類7高溫合金的分類8高溫合金的發(fā)展２０世紀３０年代后期起，英、德、美等國開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發(fā)展時期。8高溫合金的發(fā)展２０世紀３０年代后期起，英、德、美等國開始研9高溫合金的發(fā)展史１９４０年，高溫合金渦輪葉片的第一批噴氣發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機。燃氣渦輪旋轉(zhuǎn)葉片流入的氣體溫度愈高，發(fā)動機的推力也就愈大。４０年代初，英國在８０Ｎｉ－２０Ｃｒ合金中加入少量鋁和鈦，研制成第一種較高的高溫強度的鎳基合金。同期，美國開始用維塔利姆鈷基合金制作發(fā)動機葉片，還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動機的燃燒室。9高溫合金的發(fā)展史１９４０年，高溫合金渦輪葉片的第一批噴氣發(fā)10發(fā)動機渦輪盤用高溫合金發(fā)動機渦輪盤在60年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286和Inconel718。70年代，美國GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56發(fā)動機渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高。從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速發(fā)展。10發(fā)動機渦輪盤用高溫合金發(fā)動機渦輪盤在60年代前一直是用11發(fā)動機渦輪盤用高溫合金就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末盤及其發(fā)展型的雙性能粉末盤、三性指粉末盤外，細晶變形盤由于成本低也被看好。俄羅斯就堅恃認為采用傳統(tǒng)熔鑄變形盤，完全可滿足第四、五代發(fā)動機的需要。11發(fā)動機渦輪盤用高溫合金就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末12發(fā)動機渦輪盤用高溫合金噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤，與粉末高溫合金相比，工序簡單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能。快凝組織特性又奠定了其性能優(yōu)勢，包括遠優(yōu)于鑄鍛工藝、相當或高Ｆ粉末冶金工藝的強度與持久壽命，優(yōu)于粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命，因晶粒細化而改善的熱加工性能等。12發(fā)動機渦輪盤用高溫合金噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金13發(fā)動機渦輪盤用高溫合金由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使藹用，且材料利用率高，成本明顯低于粉末盤，因此，噴射盤有可能成為粉末盤的強勁對手，是一種有極大發(fā)展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。13發(fā)動機渦輪盤用高溫合金由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使藹用14航空發(fā)動機葉片材料21世紀前10年，單晶葉片材料仍占主導(dǎo)地位。葉片材料經(jīng)歷了鑄造合金、定向凝固合金和單晶合金的發(fā)展歷程，國外現(xiàn)役發(fā)動機葉片材料主要采用第二代和第三代單晶合金。14航空發(fā)動機葉片材料21世紀前10年，單晶葉片材料仍占主導(dǎo)15航空發(fā)動機葉片材料這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年來研究加入釕或銥以減少脆性傾向，開發(fā)出第四代單晶。發(fā)展的趨勢是將結(jié)構(gòu)一材料－工藝統(tǒng)一考慮，即開發(fā)lamiloy技術(shù)，采用鑄造及激光打孔工藝直按制造發(fā)散冷卻孔道。15航空發(fā)動機葉片材料這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年16航空發(fā)動機葉片材料金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合材料作為葉片的“熱障涂層”受到重視。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。16航空發(fā)動機葉片材料金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合17航空發(fā)動機葉片材料采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微疊層納米熱障涂層可望將葉片的耐溫能力提高260℃。除用于葉片外，微疊層復(fù)合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復(fù)合材料風扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用機遇。17航空發(fā)動機葉片材料采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固18航空發(fā)動機葉片材料我國鑄造渦輪葉片材料超過20種，低密變、低成本的第一代單晶合金DD3性能與國外同代合金相當，已用于直升機小發(fā)動凱渦輪葉片；第二代單晶高溫合金DD6正在推廣應(yīng)用于先進的渦輪發(fā)動機葉片，其承溫能力相當于國外同代合金，而成本更低。18航空發(fā)動機葉片材料我國鑄造渦輪葉片材料超過20種，19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溫度的80%，近似1100℃。難熔金屬的熔點大大超過高溫合金，約2000℃。由這些金屬組成的合金，可獲得比高溫合金更高的強度。19高溫合金的未來1.難熔金屬合金：目前使用的高溫合金，其20高溫合金的未來難熔金屬合金：超過900℃，材料會失去抗氧化性能，阻礙了其實際應(yīng)用，采用保護涂層方法可解決。此外多采用鍛件。采用石墨、B、W、Mo和Al2O3、SiO2晶須作為纖維與Ni、Co高溫合金組成復(fù)合材料的實心渦輪葉片，可是渦輪溫度和轉(zhuǎn)速提高；20高溫合金的未來難熔金屬合金：超過900℃，材料會失去抗氧21高溫合金的未來2.金屬間化合物：新型的金屬基高溫材料。長程有序的化合物為基的材料，如Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl、(Fe、Co、N)3V、Ti3Al等。在一定溫度范圍內(nèi)其屈服強度隨溫度升高而升高。21高溫合金的未來2.金屬間化合物：新型的金屬基高溫材料。22高溫合金的未來金屬間化合物的脆性：是影響其應(yīng)用的最大問題。脆性與有序化排列及復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。某些材料單晶塑性好，但多晶很脆。（1）加入置換元素，改變原子間鍵合狀態(tài)和電荷分布。（2）通過合金化改變有序結(jié)構(gòu)的類型。（3）微合金強化晶界。如，添加B消除晶界脆性。（4）材料的純化。使用高純原材料。（5）細化晶粒。細化第二相組織及加入彌散第二相質(zhì)點。22高溫合金的未來金屬間化合物的脆性：是影響其應(yīng)用的最大問題23高溫合金的未來2.金屬間化合物：合金化元素有效性依賴于合金所處的位置。根據(jù)其占位行為替代溶質(zhì)元素在A3B化合物中的占位可歸結(jié)為三類：只占據(jù)α亞晶格；只占據(jù)β亞晶格；由組分決定的占據(jù)兩種位置。其中第三類元素在兩種位置的占位是濃度，組份和溫度的函數(shù)。合金化元素替代α亞晶格，可以降低有序能，提高塑性；替代β亞晶格

能促使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；如果溶質(zhì)原子與Al原子有較大的尺寸失配度，則能提高屈服強度。Ni3Al金屬間化合物常添加B以提高其機械性能，除添加B外，Zn，Ti，Si，Cr，Mn，MO，W，Nb，Ta，V，Hf，Zr，Ni，Co，M，Ta，Re，F(xiàn)e，Ga，Ge等元素作為第三組元，添加到L12型或B2型金屬間化合物中，從而提高改良合金元素的力學性能和高溫工作能力。23高溫合金的未來2.金屬間化合物：合金化元素有效性依賴于2424252526262009年發(fā)展出L12、6H結(jié)構(gòu)相復(fù)合強化，形成不同K-W鎖、返程剪切取向、筏化方向。2006年《Science》報道，Co－Al－W合金中發(fā)現(xiàn)高溫穩(wěn)定的L12結(jié)構(gòu)Co3(Al、W)相，承溫能力提高200℃，是高溫合金最重要的進展之一。L12-CO3(Al、V)具有優(yōu)良的熱疲勞抗力、高溫蠕變抗力、高溫強度、抗熱腐蝕性等，在高溫部件應(yīng)用有很好前景。2008年，通過元素摻雜提高固相線溫度100-150℃，強化相穩(wěn)定性達固相線的90%，斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系平坦。2009年發(fā)展出L12、6H結(jié)構(gòu)相復(fù)合強化，形成不同K-W鎖計算結(jié)果：反位缺陷、摻雜元素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果：反位缺陷、摻雜元素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果：界面結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(a)(200)L(100)Dr=?[100]](b)r=?[001]](002)L(002)D(c)計算結(jié)果：界面結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(a)(200)L(100)D計算結(jié)果：包含了相取向、相形貌的組織結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性計算結(jié)果：包含了相取向、相形貌的組織結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性31第二節(jié)鎳基合金的發(fā)展31第二節(jié)鎳基合金的發(fā)展32鎳基合金的發(fā)展史英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。４０年代以后，人們?yōu)檫M一步提高合金的高溫強度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號的合金。32鎳基合金的發(fā)展史英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nim33美國40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國50年代中期也研制出鎳基合金。50年代初，真空熔煉技術(shù)為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。50年代后期，輪葉片要求更高的高溫強度，發(fā)展出一系列高溫強度的鑄造合金。鎳基合金的發(fā)展史33美國40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國50年代中期也34從40年代初到70年代末，鎳基合金的工作溫度從700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基合金的發(fā)展史60年代中期發(fā)展出定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。34從40年代初到70年代末，鎳基合金的工作溫度從700℃35鎳基合金的發(fā)展史高溫鎳基合金在發(fā)動機中的用量日益增加，用到發(fā)動機總重量的４０％，某些新式軍用發(fā)動機中用到總重量的５０％～６０％。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃氣輪機的高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備等。35鎳基合金的發(fā)展史高溫鎳基合金在發(fā)動機中的用量日益增加，用36鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

36鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢鎳基變形高溫合金牌號以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變形高溫合金以漢語拼音字母“GH”

加序號表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。按強化方式可分為固溶強化鎳基變形高溫合金，弱時效強化鎳基變形高溫合金和強時效強化鎳基變形高溫合金3類。鎳基變形高溫合金牌號以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變38高溫合金（GH132、GH145、GH169）GH3039等高溫合金系列

鎳基變形高溫合金牌號38高溫合金（GH132、GH145、GH169）GH30339

鎳基鑄造高溫合金以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”加序號表示，如K1、K2等。隨著使用溫度和強度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難，必須采用鑄造工藝進行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)。這樣，鎳基變形高溫合金就轉(zhuǎn)化為鎳基鑄造高溫合金。39鎳基鑄造高溫合金以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”40第三節(jié)

成分、組織、性能40第三節(jié)

成分、組織、性能41Ni基高溫強度高的主要原因:可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；可以形成共格有序的A3B型金屬間化合物γ’[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。成分和性能

41Ni基高溫強度高的主要原因:成分和性能42Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，20世紀40～50年代發(fā)展的鎳基變形高溫合金中鉻含量高達18%～20%，在60年代，為了提高高溫強度，將鉻含量降低到8%～12%。過度降鉻有損抗氧化、耐蝕能力。成分和性能

42Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，成分和性能43固溶強化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。弱時效強化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時效強化元素。強時效強化鎳基變形高溫合金中則可以加入多量的鋁、鈦、鈮元素，但其總量不能超過7.5%。加入硼、鈰、鎂等晶界強化元素。成分和性能

43固溶強化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。成44固溶強化型合金

具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大的部件，如燃氣輪機的燃燒室。

44固溶強化型合金具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐45固溶強化型合金

45固溶強化型合金46沉淀強化型合金

通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等46沉淀強化型合金通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化47沉淀強化型合金

47沉淀強化型合金48燃氣輪機渦輪零件

48燃氣輪機渦輪零件49變形合金組織特點：主要的強化相是γ′(Ni3Al)相，含量達20%～55%左右。另一類強化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下對強度的貢獻遠大于γ′相，特別顯著地提高屈服強度，是渦輪盤材料中有名的強化相。加工方法：變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，特別是含γ′相很高的強時效強化鎳基變形高溫合金，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，往往需采取一些特殊的加工工藝，如鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套鐓餅等新工藝。也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來提高塑性。鎳基合金的顯微組織特點49變形合金組織特點：鎳基合金的顯微組織特點鎳基鑄造高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ′相進行強化，γ′相數(shù)量較多，有的合金高達60%；加入鈷能提高γ′相的溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對晶界產(chǎn)生強化作用的碳化物；鋁和鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低γ′相的溶解度和高溫強度，因此鉻含量應(yīng)低些；鉿：改善合金中溫塑性和強度；為了強化晶界，添加適量硼、鋯等元素。鎳基合金的顯微組織特點鎳基鑄造高溫合金以γ相為基體，鎳基合金的顯微組織特點51鎳基合金的顯微組織特點合金中除奧氏體基體外，還有在基體中彌散分布的γ’相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：γ'相數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ'相。51鎳基合金的顯微組織特點合金中除奧氏體基體外，還有在基體中52鎳基合金的顯微組織特點在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ’共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ’相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能?，F(xiàn)代鎳基合金的化學成分十分復(fù)雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素(尤其是主要強化元素)的含量嚴加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如σ、μ相，損害合金的強度和韌性。52鎳基合金的顯微組織特點在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成53鎳基高溫合金中的σ相(針狀相）53鎳基高溫合金中的σ相(針狀相）54第三節(jié)

各類鎳基合金54第三節(jié)

各類鎳基合金55主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。在650～1000℃高溫下有較高的強度和抗氧化、抗燃氣腐蝕能力，是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強度最高的一類合金。用于制造航空發(fā)動機葉片和火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。鎳基高溫合金55主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。鎳基高溫56主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕、焊接性能也好?？芍圃炷湍チ悴考?，也可作為包覆材料，通過堆焊和噴涂工藝將其包覆在其他基體材料表面。鎳基耐磨合金56主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。鎳基耐57包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。最常用的軟磁合金是含鎳80％左右的玻莫合金，其最大磁導(dǎo)率和起始磁導(dǎo)率高，矯頑力低，是電子工業(yè)中重要的鐵芯材料。鎳基精密合金57包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。鎳基58鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，具有較高的電阻率、較低的電阻率溫度系數(shù)和良好的耐蝕性，用于制作電阻器。鎳基電熱合金是含鉻20％的鎳合金，具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃溫度下長期使用。鎳基精密合金58鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，具有較高的電59含鈦50（at)％的鎳合金?；貜?fù)溫度是70℃，形狀記憶效果好。改變鎳鈦成分比例，可使回復(fù)溫度在30～100℃范圍內(nèi)變化。多用于制造航天器上使用的自動張開結(jié)構(gòu)件、宇航工業(yè)用的自激勵緊固件、生物醫(yī)學上使用的人造心臟馬達等。鎳基形狀記憶合金59含鈦50（at)％的鎳合金。鎳基形狀記憶合金601．熱處理工業(yè)。如爐輥、鐘式爐及退火爐等。

2.煅燒爐。如用其來煅燒生產(chǎn)高性能剛玉，煅燒鉻鐵礦，以生產(chǎn)鉻鐵合金，回收在石油化工中用作催化劑的鎳。

3．化工和石油化工，用其制備新的蒸汽裂化粗汽油爐，以生產(chǎn)氫等。

4．自動化裝置。如催化支撐系統(tǒng)，火花塞。

5．核工業(yè)用清洗設(shè)備，如核廢料清除。

6．鋼鐵工業(yè)。如直接還原鐵礦石工藝，生產(chǎn)海綿鈦。應(yīng)用行業(yè)601．熱處理工業(yè)。如爐輥、鐘式爐及退火爐等。

2.煅燒爐61Thanksforyourattention!謝謝大家！61Thanksforyourattention!謝62第一節(jié)高溫合金概述1第一節(jié)高溫合金概述63高溫合金高溫合金指６００℃～１２００℃能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。

以高熔點金屬Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃）等為基體，加入其他元素構(gòu)成的在高溫下使用的金屬材料。2高溫合金高溫合金指６００℃～１２００℃能承受一定應(yīng)力并具641、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強性、高溫蠕變性能；

2、抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞性能好；

3、比強度高和彈性模量高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好；

4、具有良好的加工工藝性能。高溫合金的特點31、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強性、高溫蠕變性能；高溫合金的特65它是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器和火箭發(fā)動機以及艦艇和工業(yè)燃氣輪機的關(guān)鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤、燃燒室和機匣等），也是核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面需要的重要高溫結(jié)構(gòu)材料。高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域4它是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器和火箭發(fā)動機以及艦艇和工業(yè)燃氣輪66高溫合金汽車增壓器噴嘴環(huán)葉片燃氣輪機渦輪零件高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域5高溫合金燃氣輪機渦輪零件高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域67高溫合金的分類

高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金和發(fā)散冷卻高溫合金。按合金基體元素，可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金，使用最廣的是鎳基高溫合金，其高溫持久強度最高，鈷基高溫合金次之，鐵基高溫合金最低。按強化方式，可分為固溶強化高溫合金、時效強化高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金。按主要用途又可分為板材合金、棒材合金和盤材合金。6高溫合金的分類高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、68高溫合金的分類7高溫合金的分類69高溫合金的發(fā)展２０世紀３０年代后期起，英、德、美等國開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發(fā)展時期。8高溫合金的發(fā)展２０世紀３０年代后期起，英、德、美等國開始研70高溫合金的發(fā)展史１９４０年，高溫合金渦輪葉片的第一批噴氣發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機。燃氣渦輪旋轉(zhuǎn)葉片流入的氣體溫度愈高，發(fā)動機的推力也就愈大。４０年代初，英國在８０Ｎｉ－２０Ｃｒ合金中加入少量鋁和鈦，研制成第一種較高的高溫強度的鎳基合金。同期，美國開始用維塔利姆鈷基合金制作發(fā)動機葉片，還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動機的燃燒室。9高溫合金的發(fā)展史１９４０年，高溫合金渦輪葉片的第一批噴氣發(fā)71發(fā)動機渦輪盤用高溫合金發(fā)動機渦輪盤在60年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286和Inconel718。70年代，美國GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56發(fā)動機渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高。從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速發(fā)展。10發(fā)動機渦輪盤用高溫合金發(fā)動機渦輪盤在60年代前一直是用72發(fā)動機渦輪盤用高溫合金就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末盤及其發(fā)展型的雙性能粉末盤、三性指粉末盤外，細晶變形盤由于成本低也被看好。俄羅斯就堅恃認為采用傳統(tǒng)熔鑄變形盤，完全可滿足第四、五代發(fā)動機的需要。11發(fā)動機渦輪盤用高溫合金就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末73發(fā)動機渦輪盤用高溫合金噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤，與粉末高溫合金相比，工序簡單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能。快凝組織特性又奠定了其性能優(yōu)勢，包括遠優(yōu)于鑄鍛工藝、相當或高Ｆ粉末冶金工藝的強度與持久壽命，優(yōu)于粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命，因晶粒細化而改善的熱加工性能等。12發(fā)動機渦輪盤用高溫合金噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金74發(fā)動機渦輪盤用高溫合金由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使藹用，且材料利用率高，成本明顯低于粉末盤，因此，噴射盤有可能成為粉末盤的強勁對手，是一種有極大發(fā)展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。13發(fā)動機渦輪盤用高溫合金由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使藹用75航空發(fā)動機葉片材料21世紀前10年，單晶葉片材料仍占主導(dǎo)地位。葉片材料經(jīng)歷了鑄造合金、定向凝固合金和單晶合金的發(fā)展歷程，國外現(xiàn)役發(fā)動機葉片材料主要采用第二代和第三代單晶合金。14航空發(fā)動機葉片材料21世紀前10年，單晶葉片材料仍占主導(dǎo)76航空發(fā)動機葉片材料這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年來研究加入釕或銥以減少脆性傾向，開發(fā)出第四代單晶。發(fā)展的趨勢是將結(jié)構(gòu)一材料－工藝統(tǒng)一考慮，即開發(fā)lamiloy技術(shù)，采用鑄造及激光打孔工藝直按制造發(fā)散冷卻孔道。15航空發(fā)動機葉片材料這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年77航空發(fā)動機葉片材料金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合材料作為葉片的“熱障涂層”受到重視。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。16航空發(fā)動機葉片材料金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合78航空發(fā)動機葉片材料采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微疊層納米熱障涂層可望將葉片的耐溫能力提高260℃。除用于葉片外，微疊層復(fù)合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復(fù)合材料風扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用機遇。17航空發(fā)動機葉片材料采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固79航空發(fā)動機葉片材料我國鑄造渦輪葉片材料超過20種，低密變、低成本的第一代單晶合金DD3性能與國外同代合金相當，已用于直升機小發(fā)動凱渦輪葉片；第二代單晶高溫合金DD6正在推廣應(yīng)用于先進的渦輪發(fā)動機葉片，其承溫能力相當于國外同代合金，而成本更低。18航空發(fā)動機葉片材料我國鑄造渦輪葉片材料超過20種，80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溫度的80%，近似1100℃。難熔金屬的熔點大大超過高溫合金，約2000℃。由這些金屬組成的合金，可獲得比高溫合金更高的強度。19高溫合金的未來1.難熔金屬合金：目前使用的高溫合金，其81高溫合金的未來難熔金屬合金：超過900℃，材料會失去抗氧化性能，阻礙了其實際應(yīng)用，采用保護涂層方法可解決。此外多采用鍛件。采用石墨、B、W、Mo和Al2O3、SiO2晶須作為纖維與Ni、Co高溫合金組成復(fù)合材料的實心渦輪葉片，可是渦輪溫度和轉(zhuǎn)速提高；20高溫合金的未來難熔金屬合金：超過900℃，材料會失去抗氧82高溫合金的未來2.金屬間化合物：新型的金屬基高溫材料。長程有序的化合物為基的材料，如Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl、(Fe、Co、N)3V、Ti3Al等。在一定溫度范圍內(nèi)其屈服強度隨溫度升高而升高。21高溫合金的未來2.金屬間化合物：新型的金屬基高溫材料。83高溫合金的未來金屬間化合物的脆性：是影響其應(yīng)用的最大問題。脆性與有序化排列及復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。某些材料單晶塑性好，但多晶很脆。（1）加入置換元素，改變原子間鍵合狀態(tài)和電荷分布。（2）通過合金化改變有序結(jié)構(gòu)的類型。（3）微合金強化晶界。如，添加B消除晶界脆性。（4）材料的純化。使用高純原材料。（5）細化晶粒。細化第二相組織及加入彌散第二相質(zhì)點。22高溫合金的未來金屬間化合物的脆性：是影響其應(yīng)用的最大問題84高溫合金的未來2.金屬間化合物：合金化元素有效性依賴于合金所處的位置。根據(jù)其占位行為替代溶質(zhì)元素在A3B化合物中的占位可歸結(jié)為三類：只占據(jù)α亞晶格；只占據(jù)β亞晶格；由組分決定的占據(jù)兩種位置。其中第三類元素在兩種位置的占位是濃度，組份和溫度的函數(shù)。合金化元素替代α亞晶格，可以降低有序能，提高塑性；替代β亞晶格

能促使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；如果溶質(zhì)原子與Al原子有較大的尺寸失配度，則能提高屈服強度。Ni3Al金屬間化合物常添加B以提高其機械性能，除添加B外，Zn，Ti，Si，Cr，Mn，MO，W，Nb，Ta，V，Hf，Zr，Ni，Co，M，Ta，Re，F(xiàn)e，Ga，Ge等元素作為第三組元，添加到L12型或B2型金屬間化合物中，從而提高改良合金元素的力學性能和高溫工作能力。23高溫合金的未來2.金屬間化合物：合金化元素有效性依賴于8524862587262009年發(fā)展出L12、6H結(jié)構(gòu)相復(fù)合強化，形成不同K-W鎖、返程剪切取向、筏化方向。2006年《Science》報道，Co－Al－W合金中發(fā)現(xiàn)高溫穩(wěn)定的L12結(jié)構(gòu)Co3(Al、W)相，承溫能力提高200℃，是高溫合金最重要的進展之一。L12-CO3(Al、V)具有優(yōu)良的熱疲勞抗力、高溫蠕變抗力、高溫強度、抗熱腐蝕性等，在高溫部件應(yīng)用有很好前景。2008年，通過元素摻雜提高固相線溫度100-150℃，強化相穩(wěn)定性達固相線的90%，斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系平坦。2009年發(fā)展出L12、6H結(jié)構(gòu)相復(fù)合強化，形成不同K-W鎖計算結(jié)果：反位缺陷、摻雜元素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果：反位缺陷、摻雜元素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果：界面結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(a)(200)L(100)Dr=?[100]](b)r=?[001]](002)L(002)D(c)計算結(jié)果：界面結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(a)(200)L(100)D計算結(jié)果：包含了相取向、相形貌的組織結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性計算結(jié)果：包含了相取向、相形貌的組織結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性92第二節(jié)鎳基合金的發(fā)展31第二節(jié)鎳基合金的發(fā)展93鎳基合金的發(fā)展史英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。４０年代以后，人們?yōu)檫M一步提高合金的高溫強度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號的合金。32鎳基合金的發(fā)展史英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nim94美國40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國50年代中期也研制出鎳基合金。50年代初，真空熔煉技術(shù)為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。50年代后期，輪葉片要求更高的高溫強度，發(fā)展出一系列高溫強度的鑄造合金。鎳基合金的發(fā)展史33美國40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國50年代中期也95從40年代初到70年代末，鎳基合金的工作溫度從700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基合金的發(fā)展史60年代中期發(fā)展出定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。34從40年代初到70年代末，鎳基合金的工作溫度從700℃96鎳基合金的發(fā)展史高溫鎳基合金在發(fā)動機中的用量日益增加，用到發(fā)動機總重量的４０％，某些新式軍用發(fā)動機中用到總重量的５０％～６０％。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃氣輪機的高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備等。35鎳基合金的發(fā)展史高溫鎳基合金在發(fā)動機中的用量日益增加，用97鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

36鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢鎳基變形高溫合金牌號以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變形高溫合金以漢語拼音字母“GH”

加序號表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。按強化方式可分為固溶強化鎳基變形高溫合金，弱時效強化鎳基變形高溫合金和強時效強化鎳基變形高溫合金3類。鎳基變形高溫合金牌號以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變99高溫合金（GH132、GH145、GH169）GH3039等高溫合金系列

鎳基變形高溫合金牌號38高溫合金（GH132、GH145、GH169）GH303100

鎳基鑄造高溫合金以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”加序號表示，如K1、K2等。隨著使用溫度和強度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難，必須采用鑄造工藝進行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)。這樣，鎳基變形高溫合金就轉(zhuǎn)化為鎳基鑄造高溫合金。39鎳基鑄造高溫合金以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”101第三節(jié)

成分、組織、性能40第三節(jié)

成分、組織、性能102Ni基高溫強度高的主要原因:可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；可以形成共格有序的A3B型金屬間化合物γ’[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。成分和性能

41Ni基高溫強度高的主要原因:成分和性能103Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，20世紀40～50年代發(fā)展的鎳基變形高溫合金中鉻含量高達18%～20%，在60年代，為了提高高溫強度，將鉻含量降低到8%～12%。過度降鉻有損抗氧化、耐蝕能力。成分和性能

42Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，成分和性能104固溶強化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。弱時效強化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時效強化元素。強時效強化鎳基變形高溫合金中則可以加入多量的鋁、鈦、鈮元素，但其總量不能超過7.5%。加入硼、鈰、鎂等晶界強化元素。成分和性能

43固溶強化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。成105固溶強化型合金

具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大的部件，如燃氣輪機的燃燒室。

44固溶強化型合金具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐106固溶強化型合金

45固溶強化型合金107沉淀強化型合金

通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等46沉淀強化型合金通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化108沉淀強化型合金

47沉淀強化型合金109燃氣輪機渦輪零件

48燃氣輪機渦輪零件110變形合金組織特點：主要的強化相是γ′(Ni3Al)相，含量達20%～55%左右。另一類強化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下對強度的貢獻遠大于γ′相，特別顯著地提高屈服強度，是渦輪盤材料中有名的強化相。加工方法：變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，特別是含γ′相很高的強時效強化鎳基變形高溫合金，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，往往需采取一些特殊的加工工藝，如鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套鐓餅等新工藝。也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來提高塑性。鎳基合金的顯微組織特點49變形合金組織特點：鎳基合金的顯微組織特點鎳基鑄造高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ′相進行強化，γ′相數(shù)量較多，有的合金高達60%；加入鈷能提高γ′相的溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的作用