8.5第八章+有色金屬及其合金+鎳基高溫合金

1、8.5 高 溫 合 金,一、概 述,國外高溫合金發(fā)展?fàn)顩r 1929年：英美Merica、Bedford和Pilling將少量的Ti和Al加入到80Ni-20Cr電工合金，蠕變顯著強(qiáng)化。 1937年：德Hans von ohain渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)Heinkel問世。 1939年：英研制出Whittle渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。 1939年：英Mond鎳公司(國際鎳公司)研制出鎳基合金Nimonic 75，準(zhǔn)備用作Whittle發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的葉片，成為最早的Ni3(A1，Ti

2、)強(qiáng)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合金系列。,1932年：美國Halliwell開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金K42B，用以制造活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓渦輪。 1941年：美國開始發(fā)展航空燃?xì)鉁u輪。 1942年：Hastelloy B鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其后的I-40噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。 1944年：西屋公司的Yan Kee19A發(fā)動(dòng)機(jī)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

3、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(chǔ)上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號(hào)系列。,制造工藝對(duì)高溫合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。 二十世紀(jì)40年代50年代中期： 通過合金成分的調(diào)整來提高合金的性能。 二十世紀(jì)50 年代： 出現(xiàn)了真空熔煉技術(shù)，去除合金中有害雜質(zhì)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(jì)60年代： 定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)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

4、向凝固工藝制出的單晶合金，其使用溫度接近合金熔點(diǎn)的90，至今，各國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)無不采用單晶高溫合金渦輪葉片。,我國高溫合金發(fā)展歷程 第一階段, 從1956 年至20 世紀(jì)70 年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段. 在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下煉出的第一爐高溫合金G H 3030, 拉開了我國研制和生產(chǎn)的序幕。自主開發(fā)了一批新合金, 特別針對(duì)我國缺N i 少C r 的資源情況, 研制出一批鐵鎳基高溫合金。,第二階段, 從20 世紀(jì)70 年代中至90 年代中期,是我國高溫合金的提高階段. 經(jīng)過這一階段的工作, 不但研制成功一系列新的合金, 包括高性能變形合金、鑄造合金、定向凝固及單晶合金, 而且更重要的

5、是使我國高溫合金的生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面上了一個(gè)新臺(tái)階, 基本達(dá)到或接近西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的水平。 第三階段, 從20 世紀(jì)90 年代中至今, 是我國高溫合金的新發(fā)展階段. 本階段的特點(diǎn)是應(yīng)用和開發(fā)出一批新工藝, 研制和生產(chǎn)了一系列高性能高檔次的新合金.,7,二.高溫合金的定義、分類和牌號(hào),1.定義：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(dòng)力、光子火箭的發(fā)展，對(duì)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,8,2.高溫合金的特性和分類,表1 耐熱合金和高溫合金的分類,在高

6、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。,9,(1) 鐵基（鐵鎳基）高溫合金 含鎳量達(dá)2560，又稱為鐵鎳基合金。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(dòng)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800，,按合金基體元素種類分：,(2) 鎳基高溫合金 以鎳為基體，W N

7、i 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。,11,(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(dòng)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，是以碳化物為主要強(qiáng)化相的高溫合金，

8、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。,按合金強(qiáng)化類型分： 固溶強(qiáng)化型合金 時(shí)效沉淀強(qiáng)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(qiáng)化合金 按使用特性：高強(qiáng)度合金、高屈服強(qiáng)度合金、抗松弛合金、 低膨膨脹合金、抗熱腐蝕合金等。,我國變形高溫合金的編號(hào)為GH+四位數(shù)字，如GH4037。 第一位數(shù)字表示分類號(hào)，即： 1表示固溶強(qiáng)化型鐵基合金； 2表示時(shí)效硬化型鐵基合金； 3表示固溶強(qiáng)化型鎳基合金； 4表示時(shí)效硬化型鎳

9、基合金； 5表示固溶強(qiáng)化型鈷基合金； 6表示時(shí)效硬化型鈷基合金。 第二、三、四位數(shù)字表示合金的編號(hào)。,鑄造高溫合金編號(hào)為K+三位數(shù)字，如K403。 第一位數(shù)字表示分類號(hào)，即： 2表示時(shí)效硬化型鐵基合金； 4表示時(shí)效硬化型鎳基合金； 6表示時(shí)效硬化型鈷基合金。 第二、三位數(shù)字表示合金的編號(hào)。,高溫合金 汽車增壓器噴嘴環(huán)葉片,燃?xì)廨啓C(jī)渦輪零件,三、高溫合金的性能特點(diǎn),1、高的高溫強(qiáng)度,材料強(qiáng)度比較,為了保證高溫合金具有高的高溫強(qiáng)度，采取了三個(gè)基本強(qiáng)化手段固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化 。,（1）固溶強(qiáng)化 高溫合金中的主要固溶強(qiáng)化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。其主要作用是： a. 產(chǎn)生晶格畸變

10、 b. 降低堆垛層錯(cuò)能，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難 c. 降低擴(kuò)散能力。,（2）第二相強(qiáng)化 除少量合金用碳化物強(qiáng)化外，高溫合金的主要強(qiáng)化相是Ni3(AlTi)，某些高溫合金用Ni3(NbTa)強(qiáng)化，主要強(qiáng)化元素是Al、Ti、Nb、Ta。析出第二相的強(qiáng)化效果與第二相的本質(zhì)(種類、晶體結(jié)構(gòu)、成分及其與基體的配合程度)、大小、數(shù)量和穩(wěn)定性密切相關(guān)。 獲得方法：時(shí)效析出彌散相、加入難熔彌散相,（3）晶界強(qiáng)化 高溫下，晶界參與變形，因而是弱化部位。 合金化：主要晶界強(qiáng)化元素有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg等，它們的作用主要是降低晶界能量和凈化晶界。,高溫下，拉應(yīng)力使金屬中垂直晶界的擴(kuò)散加速,四、鎳基變形高溫合金,

11、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(hào)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(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金和強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金3類。,用途：鎳基變形高溫合金廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。,高溫合金（GH132、GH145、GH169）,GH3039等高溫合金系列,合金元素的作用： 鉻在鎳基變形高溫合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蝕能力。 20世紀(jì)4050年代發(fā)展的鎳基變形高溫合金中鉻

12、含量高達(dá)18%20%，在60年代，為了提高高溫強(qiáng)度，將鉻含量降低到8%12%。過度降鉻有損抗氧化、耐蝕能力。,固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。 弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時(shí)效強(qiáng)化元素。 強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)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%。也加入硼、鈰、鎂等晶界強(qiáng)化元素。,組織特點(diǎn) ： 主要的強(qiáng)化相是(Ni3Al)相，含量達(dá)20%55%左右。 另一類強(qiáng)化相是(Ni3Nb)相，在700以下對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于相，特別顯著地提高屈服強(qiáng)度，是渦輪盤材料中有名的強(qiáng)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

13、相很高的強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)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。,五、 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(hào)表示，如K1、K2等。 隨著使用溫度和強(qiáng)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(jìn)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。,添加元素及作用 ： 鎳基鑄造高溫合金以相為基體， 添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成相進(jìn)行強(qiáng)化，相數(shù)量較多，有的合金高達(dá)60%； 加入鈷能提高相的溶解溫度，提高合金的使用溫度； 鉬、鎢、鉻具有強(qiáng)化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對(duì)晶界產(chǎn)生強(qiáng)化作用的碳化物； 鋁和鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低相的溶解度和高溫強(qiáng)度，因此鉻含量應(yīng)低些； 鉿：改善合金中溫塑性和強(qiáng)度； 為了強(qiáng)化晶界，添加適量硼、鋯等元素。,缺點(diǎn)及克服方法 （1）疲勞性能稍差、塑性較低、使用中組