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高溫合金簡介

作者: 來源: 日期:2019-3-15 13:48:21

高溫合金定義


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;并具有較高的高溫強度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織,在各種溫度下具有良好的組織穩定性和使用可靠性。

基于上述性能特點,且高溫合金的合金化程度較高,又被稱為“超合金”,是廣泛應用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分,高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達到750~780℃,對于在更高溫度下使用的耐熱部件,則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。 鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊重要的地位,它廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機最熱端部件。


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高溫合金特性


高溫環境下材料的各種退化速度都被加速,在使用過程中易發生組織不穩定、在溫度和應力作用下產生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕。

1、耐高溫、耐腐蝕

高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學組成和組織結構。 以GH4169 鎳基變形高溫合金為例,可看出GH4169 合金中鈮含量高,合金中的鈮偏析成都與冶金工藝直接相關,GH4169 基體為Ni-Gr 固溶體,含Ni 質量分數在50%以上可以承受1 000℃ 左右高溫,與美國牌號Inconel718 相似,合金由γ 基體相、δ 相、碳化物和強化相γ'和γ″相組成。GH4169 合金的化學元素與基體結構顯示了其強大的力學性能,屈服強度與抗拉強度都優于45 鋼數倍,塑性也要比45 鋼好。穩定的晶格結構和大量強化因子構造了其優良的力學性能。

Ni    Cr    Mo    Ti    Nb    A l    Fe    

51. 96    17. 98    3. 07    0. 95    4. 82    0. 45    余    

表1 GH4169 的主要化學成分( 質量分數%)

2、加工難度高

高溫合金由于其復雜、惡劣的工作環境,其加工表面完整性對于其性能的發揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料,其微觀強化項硬度高,加工硬化程度嚴重,并且其具有高抗剪切應力和低導熱率,切削區域的切削力和切削溫度高,在加工過程中經常出現加工表面質量低、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下,高溫合金表層會產生硬化層、殘余應力、白層、黑層、晶粒變形層等過大的問題。


高溫合金主要分類

傳統的劃分高溫合金材料可以根據以下3 種方式來進行: 按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。

1、按基體元素種類

⑴鐵基高溫合金

鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素,加入少量的Ni、Cr 等合金元素,耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。

⑵鎳基高溫合金

鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上,適用于1 000℃以上的工作條件,采用固溶、時效的加工過程,可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。目前就高溫環境使用的高溫合金來分析,使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產量最大、使用量最大的一種高溫合金. 很多渦輪發動機的渦輪葉片及燃燒室,甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個多世紀以來,航空發動機所應用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應該說,這一巨大提升也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發展。

⑶鈷基高溫合金

鈷基高溫合金是以鈷為基體,鈷含量大約占60%,同時需要加入Cr、Ni 等元素來提升高溫合金的耐熱性能,雖然這種高溫合金耐熱性能較好,但由于各個國家鈷資源產量比較少,加工比較困難,因此用量不多。通常用于高溫條件( 600 ~ 1 000℃) 和較長時間受極限復雜應力高溫零部件,例如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能,一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co,以保證其優越的抗熱抗疲勞性。

2、合金強化類型

根據合金強化類型,高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。

⑴固溶強化型

所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中,形成單相奧氏體組織,溶質原子使固溶體基體點陣發生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導致交滑移難于進行,合金被強化,達到高溫合金強化的目的。

⑵時效沉淀強化

所謂時效沉淀強化即合金工件經固溶處理,冷塑性變形后,在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金,在650℃的最高屈服強度達1 000 MPa,制作葉片的合金溫度可達950℃。

3、材料成型方式

通過材料成型方式劃分有:鑄造高溫合金( 包括普通鑄造合金、單晶合金、定向合金等) 、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金( 包含普通粉末冶金和氧化物彌散強化高溫合金)。

⑴鑄造高溫合金

采用鑄造方法直接制備零部件的合金材料叫鑄造高溫合金。根據合金基體成分劃分,可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金3 種類型。按結晶方式劃分,可以分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4 種類型。

⑵變形高溫合金

目前仍然是航空發動機中使用最多的材料,在國內外應用都比較廣泛,我國變形高溫合金年產量約為美國的1 /8 [2]  。以GH4169 合金為例,它是國內外應用范圍最多的一個主要品種. 我國主要在渦輪軸發動機的螺栓、壓縮機及輪、甩油盤作為主要零件,隨著其他合金產品的日益成熟,變形高溫合金的使用量可能逐漸減少,但在未來數十年中仍然會是占主導地位。

⑶新型高溫合金

包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細分產品領域.

①第三代粉末高溫合金的合金化程度提升,使其兼顧了前兩代的優點,獲得了更高的強度較低的損傷,粉末高溫合金生產工藝日趨成熟,未來可能從以下幾個方面開展: 粉末制備、熱處理工藝、計算機模擬技術、雙性能粉末盤;

②鈦鋁系金屬間化合物已經開發到第四代,逐步向著多元微量和大量微元這兩個方向拓展,德國的漢堡大學,日本京都大學,德國的GKSS 中心等都進行了廣泛的研究,鈦鋁系金屬間化合物現已應用于船舶、生物醫用、體育用品領域;

③氧化物彌散強化高溫合金是粉末高溫合金一部分,正在生產研制的有近20 余種,具有較高的高溫強度和低的應力系數,廣泛的應用于燃氣輪機耐熱抗氧化部件、先進航空發動機、石油化工反應釜等;

④耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼,應用于建筑及航天航空領域。


高溫合金常用類型

1、GH4169高溫合金

GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種最復雜的合金。它被廣泛地應用于制造各種高溫部件。同時,也是所有高溫合金中最為注目的一種合金。它的相對使用溫度在所有普通合金系中也是最高的。目前,先進的飛機發動機中這種合金的比重在50%以上。

GH4169合金是由國際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功,于1995年公開介紹的時效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強化的一種鎳基變形高溫合金,在650℃以下具有高的抗拉強度、屈服強度和良好的塑性,具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能,以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253~650℃很寬的溫度范圍內組織性能穩定,成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能,目前被廣泛用于航空發動機的壓氣機盤、壓氣機軸、壓氣機葉片、渦輪盤、渦輪軸、機匣、緊固件和其它結構件和板材焊接件等 [3]  。

我國于70年代開始研制GH4169合金,主要應用于盤件,使用時間比較短,所以采用真空感應加電渣重熔的雙聯工藝。八十年代開始應用于航空領域,提高和改進材料質量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當前GH4169合金的主要研究方向為:

(1)改進冶煉工藝,量化冶煉參數,實現程序穩定操作,使合金顯微組織更加均勻,從而得到優良的屈服和疲勞強度以及抗裂紋擴展止裂能力,提高低周疲勞強度等;

(2)改進熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的消除鋼錠中心的偏析,所以對組織的均勻性有不利影響,因此采用合理的均勻化退火工藝,得到細晶坯料成為現在的主要研究方向之一;

(3)改進使用設計。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃,所以應當加強零部件的冷卻,充分發揮該高溫合金的高性能、低成本等優點;

(4)提高組織穩定性能。由于航空發動機部件的長壽命要求,對于提高GH4169合金長期時效組織穩定性方面也是至關重要的。

2、單晶高溫合金

目前單晶合金材料已發展到第四代,承溫能力提升到1140℃,已近金屬材料使用溫度極限。未來要進一步滿足先進航空發動機的需求,葉片的研制材料要進一步拓展,陶瓷基復合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環境下的使用。

單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結構復雜性有關,普通復雜程度的單晶葉片研制周期較短,但在航空發動機上應用也需經歷較長的時間。從單晶實心葉片到單晶空心葉片、到高效氣冷復雜空心葉片等,技術難度跨度很大,相應的研制周期跨度也較大。一般一種普通復雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認、模具設計到試制、再到小批投產,需要1~2年時間。但單晶葉片由于其復雜的服役環境,需要進行大量的驗證試驗,一般一種普通結構的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發動機上應用需5~10年的時間,有的隨發動機研制進度,甚至需要15年或更長的時間

高溫合金主要應用

1、航空航天領域

我國發展自主航空航天產業研制先進發動機,將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。

航空發動機被稱為“工業之花”,是航空工業中技術含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發動機,特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結構材料中最高的性能要求。

高溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前,在先進的航空發動機中,高溫合金用量所占比例已高達50%以上。

在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料用量占發動機總量的40%~60%。在航空發動機上,高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件;此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

2、能源領域

高溫合金在能源領域中有著廣泛的應用。煤電用高參數超超臨界發電鍋爐中,過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好,在蒸汽側抗氧化性能和在煙氣側抗腐蝕性能優異的高溫合金管材;在氣電用燃氣輪機中,渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優良和長期組織穩定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領域中,蒸汽發生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節能減排領域,廣泛采用抗高溫熱腐蝕和抗高溫磨蝕性能優異的高溫合金;在石油和天然氣開采,特別是深井開采中,鉆具處于4-150 ℃的酸性環境中,加之CO2,H2S和泥沙等的存在,必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5]  。

我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備制造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高,拉動了對發電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產化研制的新一代發電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展,實現量產后將帶動對高溫合金的需求。同時,核電設備的國產化,也將拉動對國產高溫合金的需求。



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