高溫合金簡述

鎳基高溫(gāowēn)合金共十五頁21.高溫(gāowēn)合金簡介高溫合金是指能在600℃-1200℃高溫下仍能保持設(shè)計要求(yāoqiú)正常工作的金屬材料，它在高溫下具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變和良好的疲勞特性。高溫合金特點：耐高溫具有較高的強度具有良好的疲勞性質(zhì)具有較高的斷裂韌度具有良好的組織穩(wěn)定性具有較強的抗氧化抗熱腐蝕性能具有可靠的使用性能共十五頁3

高溫合金分類：

變形高溫合金按制造工藝

鑄造(zhùzào)高溫合金

粉末冶金

鐵基高溫合金按合金主要元素鎳基高溫合金

鈷基高溫合金

固溶強化按強化方式時效強化氧化物彌散強化晶界強化共十五頁4

鎳基高溫(gāowēn)合金優(yōu)點(yōudiǎn)：成本低，可用于一些使用溫度較低的航空航天發(fā)動機和工業(yè)燃氣機的渦輪盤、導(dǎo)向葉片，以及一些承力件和緊固件。缺點：組織不夠穩(wěn)定；抗氧化性差；工作溫度較低鐵基高溫合金優(yōu)點：可溶解較多的元素，具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強度和抗腐蝕性，工作溫度較高。缺點：疲勞性能稍差，塑性較低鈷基高溫合金優(yōu)點：較高溫度下仍具有高強度和抗熱疲勞性能缺點：中低溫工作性能不如前兩種高溫合金共十五頁52.鎳基高溫(gāowēn)合金圖2.1為20世紀(jì)(shìjì)40年代后的鎳基高溫合金及其工藝的發(fā)展過程[1]。Fig.2.1DevelopmentofNi-basesuperalloys共十五頁6

鎳基高溫合金的基本組織類型有：奧氏體基體（高度合金化固溶體）；彌散分布于基體中的碳化物或金屬間化合物相，如γ′相[Ni3（Al,Ti）]和γ"相（NiNb，NiTa）；或高熔點穩(wěn)定化合物質(zhì)點（由粉末冶金或機械(jīxiè)合金化方法制得）[2]。圖2.2為GH4169的金相顯微組織結(jié)構(gòu)圖。Fig.2.2MicrostructureofsuperalloyGH4169共十五頁7鎳元素具有獨特的原子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)從室溫至熔點的溫度區(qū)間內(nèi)始終保持面心立方結(jié)構(gòu)不變，同時，許多合金元素都可以固溶到鎳基材料中進行充分的合金化，因此鎳具有作為高溫合金基體元素的優(yōu)越屬性，同時鎳基高溫合金中可以析出L12結(jié)構(gòu)γ′相，這是鎳基高溫合金中最有效的強化方式，使得鎳基高溫合金具有優(yōu)良的綜合性能。在整個高溫合金領(lǐng)域中，鎳基高溫合金占有重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更高的高溫強度和組織穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機(ránqìlúnjī)的熱端部件材料。在目前的先進發(fā)動機上，鎳基高溫合金的使用量已占發(fā)動機總重量的一半以上[3]。共十五頁8鎳基高溫合金的可加工性取決于決定合金耐熱強度的化學(xué)元素。組成鎳基合金基體成分之一的鎳，并不影響可加工性。

鎳基高溫合金中的硼和鈰起強化晶界的作用，帶來了加工性的變壞。鈦和鋁會和鎳元素(yuánsù)形成金屬γ'相－Ni3（Al、Ti），鈦和鋁的含量增加導(dǎo)致γ'強化相的增加，合金中金屬間γ'相的增加提高了合金塑性變形時的抗剪切強度及金屬加工過程中的切削溫度。此外，合金中γ'相的增加也增加了粘附抗剪切強度和合金的抗磨蝕作用[4]，從而降低了鎳基高溫合金的切削性能。共十五頁93.單晶高溫(gāowēn)合金普通鑄造多晶高溫合金中和應(yīng)力軸垂直的晶界是高溫變形的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋極易在此萌生并成為裂紋擴展的通道。如果晶界與應(yīng)力主軸方向平行，高溫下作用在晶界上的應(yīng)力將會最小，從而抑制裂紋形核增加蠕變持久壽命。在這種思路下，逐漸研究出具有優(yōu)異的中、高溫蠕變持久強度和塑性，而且具有優(yōu)異熱疲勞性能的單晶高溫合金。單晶高溫合金的高強度是多種強化(qiánghuà)機制和多種元素共同作用的結(jié)果。共十五頁10

單晶高溫(gāowēn)合金的成分特點：C,B,Hf從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量(xiànliàng)使用”。微量(~0.1%)的Hf可以提高涂層壽命和抗氧化/腐蝕性能。C元素具有凈化合金溶液，對抗腐蝕性能也有好處。難熔元素(Ta,Re,W,Mo)的加入總量增加Ta增加γ/γ'錯配度、強化γ'相和提高其高溫穩(wěn)定性。Ta元素的加入使的合金的壞境性能、涂層性能、鑄造性能和組織穩(wěn)定性都得到改善[5]Re在基體中形成Re原子團，阻礙位錯運動，降低合金元素擴散速率，阻止γ'相粗化，并提高γ/γ'錯配度。Cr含量降低Cr元素對合金的抗熱腐蝕性能具有非常重要的影響；Cr含量降低，就允許加入更多其它的有助于提高合金性能的元素，而且仍能保持組織的穩(wěn)定，對合金性能的提高極為有利。Co的作用固溶強化和增加γ'相數(shù)量，同時改善合金的塑形以及熱加工性能，并對合金組織穩(wěn)定性有一定的提高。Co在γ相中有較大的固溶度，能夠降低基體的層錯能，使得合金的持久強度和抗蠕變能力顯著提高。共十五頁11

Kakehi[6]發(fā)現(xiàn)鎳基單晶高溫合金在蠕變過程中表現(xiàn)出拉壓不對稱性，但不同于屈服(qūfú)強度的不對稱性，其不對稱性被歸結(jié)為是否產(chǎn)生孿晶。[001]和[011]取向均可產(chǎn)生孿晶，因而持久性能具有拉壓不對稱性，而[111]方向的持久過程只與位錯的運動有關(guān)，所以無此特征。單晶高溫合金具有各向異性，即蠕變性能與晶體取向密切相關(guān)。共十五頁124.鎳基高溫(gāowēn)合金的應(yīng)用鎳基高溫(gāowēn)合金可以用來制造航空噴氣發(fā)動機、船舶、工業(yè)和車輛用燃氣輪機的熱端部件，如工作葉片、渦輪盤和燃燒室等。共十五頁13參考文獻[1]ReedRC.TheSuperalloysFundamentalsandApplications.London:CambridgeUniversityPress,2006.[2]LiuG.,HeN.,LiL.andManZ.L.CuttingforcesduringthehighspeedmachiningofInconel718.KeyEngineeringMaterials,2004,259-260:824-828.[3]TreaM.Pollock,SammyTin.Nickel-BasedSuperalloysforAdvancedTurbineEngines:Chemistry,Microstructure,andProperties.JournalofPropulsionandPower,2006,22(2):361~374.[4]ChoudhuryI.A.andEl-Baradie.M.A.Machinabilityassessmentofinconel718byfactorialdesignofexperimentcoupledwithresponsesurfacemethodology.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,95:30-39.[5]JianZhang.EffectofTiandTaonhotcrackingsusceptibilityofdirectionallysolidifiedNi-basedsuperalloyIN792.ScriptaMaterialia,2003,48(6):677~681.[6]D.Leidermark,J.J.Moverare,S.Johansson,K.Simonsson,S.Sj?str?m.Tension/compressionasymmetryofasingle-crystalsuperalloyinvirginanddegradedcondition.ActaMaterialia,2010,58(15):4986~4997.共十五頁14