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1、高 温 合 金,5.1 高温合金概述5.2 高温合金分类和牌号表示法5.3 高温合金的强化,概念：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。性能特点：高温合金具有较高的高温强度；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。组织特点：高温合金为单一基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。,1 高温合金概述,1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到 80Ni-20Cr电工合金，蠕变显著强化。1937年：德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世。1939年
2、：英研制出Whittle涡轮喷气发动机。1939年：英Mond镍公司(国际镍公司)研制出镍基合金Nimonic 75，准备用作Whittle发动机涡轮叶片，后为Nimonic 80取代，其含铝、钛，蠕变性能比Nimonic 75高50。1942年：Nimonic 80用作涡轮喷气发动机的叶片，成为最早的Ni3(A1，Ti)强化的涡轮叶片材料。此后，该公司在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发了Nimonic80A、Nimonic 90等合金，形成Nimonic合金系列。,国外高温合金发展状况,1932年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金K42B，用以制造活塞式航
3、空发动机的增压涡轮。1941年：美国开始发展航空燃气涡轮。1942年：Hastelloy B镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及其后的I-40喷气发动机。1944年：西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金HS 23精密铸造叶片。1950年美国出兵朝鲜，由于钴的资源短缺，镍基合金得到发展并被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金。并在这些合金发展基础上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌号系列。,二十世纪40年代50年代中期：调整、优化合金成分，提高合金性能。二十世纪40
4、年代：真空熔炼去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的铸造高温合金。二十世纪60年代：定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究开发。定向凝固工艺所起的作用尤为重要，采用定向凝固工艺制出的单晶合金，其使用温度接近合金熔点的90，至今，各国先进航空发动机无不采用单晶高温合金涡轮叶片。,制造工艺在发展高温合金中的作用,1956年：正式开始研制生产高温合金，第一种高温合金是GH3030，用作WP5火焰筒（歼-5），由抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料研究所和410厂共同试制1957年：通过长期
5、试车后投入生产。1957年底，继GH3030合金之后，WP5发动机用的GH4033(DH437B)、K412合金相继试制成功。1960年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等高温合金,我国高温合金发展历程,上世纪70年代初：高温合金的生产试制和研究已初具规模，通过仿制、消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或超过前苏联标准和实物水平。我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成为上世纪六七十年代的主线。至上世纪70年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达33个，其中我国独创的达18种。大量应用至今的有GH l l40、
6、GH2135、GH35A和K213等4种合金。上世纪70年代后：引进欧美发动机WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生产WP13等发动机，引进和试制了一批欧美体系的高温合金，使我国高温合金生产水平接近西方工业国家的水平。自行研究和开发了一批新的镍基合金，如GH4133、GH4133B、GH3128、GHl70、K405、K423A、K419等。,40多年来，研究、试制和生产了100多种高温合金，总计产量达6万t左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量的电渣炉、17t大型真空电弧炉、200kg真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。国际公认的工艺技术：低偏析新技
7、术和加镁微合金化技术。通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创制了一系列低偏析合金，其承温能力比原型合金高2025。在国外加Mg净化材质和改善热加工性能基础上，我国上世纪七八十年代进一步发现Mg的偏聚晶界、改变晶界行为可显著提高合金的持久强度和塑性等性能。1964年开始，高温合金应用于民用工业部门，如柴油机增压涡轮、地面燃气轮机、烟气轮机、核反应堆燃料空位格架等。在民用工业的推广应用中，除传统的高温高强度的高温合金外，还相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金。,外部质量：外部轮廓形状、尺寸精度、表面缺陷清理方法。锻制圆饼：鼓形、无歪扭；锻制或轧制棒材不圆度直径偏差的70，弯曲度
8、 6mm/1000mm；热轧板材不平度l0mm/1000mm。内部质量：化学成分、组织、力学及物理和化学性能等。化学成分：除主元素外，对氧、氢、氮及铅、铋、锡、锑、银、砷等含量都有要求。高温合金分析元素达20多种，单晶高温合金分析元素达35种。铋、硒、碲、铊等含量10-6。组织：低倍和高倍组织、高温下组织稳定性的数据（铸态、加工态或热处理态、高温长期时效后相应的力学性能），其检测项目有晶粒度、断口分层、疏松、晶界状态，夹杂物的大小和分布，纯洁度等。,高温合金的质量要求：,力学性能：室温及高温拉伸性能和冲击韧性、高温持久及蠕变性能、硬度、高周和低周疲劳性能、蠕变与疲劳交互作用下的力学性能，抗氧化
9、和抗热腐蚀性能。高温合金物理常数：密度、熔化温度、比热、热膨胀系数和热导率等。用户还对生产过程进行控制：对生产中的原材料、生产工艺、生产设备和测量仪表、操作工序和操作人员素质。生产和质量管理水平等进行考核和“冻结”。合金转厂需经有关航空生产工程来源批准，生产出的合金必须检验三炉批全面性能，并检查主要生产工序中半成品质量。新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞。,航空发动机：现代航空发动机中用量占发动机总量的4060，主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。火箭发动机及燃气轮机高温热端部件：上世纪70年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等
10、诸多民用工业部门得到推广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。目前美国高温合金总产量约为每年2.33.6万t，大约1213应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，主要要求不是高温下的强度，这些合金的成分以镍、铁或钴为基，并含有大约2035的铬，大量的钨、钼等固溶强化元素，而铝、钛等形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。,高温合金的用途,用于特殊工程场合如必需腐蚀或耐热等；化工厂、换热器、反应炉、回转窑、涡轮叶片；不锈钢的合金元素、和其他合金中的合金元素如铜合金、钴合金、铬合金等。,按合金基体元素种类分：
11、铁基(铁镍基)高温合金：含镍量达2560 镍基高温合金 钴基高温合金按合金强化类型分：固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金按合金材料成形方式分：变形高温合金：饼、棒、板、环形件、管、带和丝 铸造高温合金：普通精密铸造、定向凝固和单晶合金 粉末冶金高温合金：普通和氧化物弥散强化合金按使用特性：高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。,5.2 高温材料分类和牌号,高温合金及金属间化合物高温材料的分类,牌号：字母+阿拉伯数字根据需要，牌号后加英文字母表示原合金的改型合金（某种特定工艺、特定化学成分）,牌号前缀,变形高温合金：GH；等轴晶铸造高温合金：K；定向凝固柱晶高温合金
12、：DZ；单晶高温合金：DD；焊接用高温合金丝：HGH；粉末冶金高温合金：FGH；弥散强化高温合金：MGH；金属间化合物高温材料：JG。,阿拉伯数字,变形高温合金和焊接用高温合金丝：前缀后用四位数表示：第一位：合金的分类号；单号：固溶强化型；双号：时效强化型第二 四位：合金编号，不足位的合金编号用“0”补充。,其它高温合金和金属间化合物高温材料铸造高温合金：前缀后加三位数字 第一位：合金分类号；第二、三位：合金编号，不足的用“0”补齐粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金、金属间化合物高温材料：前缀后加四位数字,铁或铁镍基变形高温合金,镍基变形高温合金,钴基变形高温合金,等轴晶铸造高温合金,定向凝固
13、柱晶高温合金,单晶高温合金,焊接用高温合金丝,粉末冶金高温合金丝,弥散强化型高温合金,金属化合物型高温材料,国外高温合金牌号按生产厂家的注册商标命名：牌号 注册商家CMSX Cannon-Muskegon Corporation(佳能-穆斯克贡公司)Discaloy Westinghouse corporation(西屋公司)Gatorize United Aircraft Company(联合航空公司)Haynes Haynes Stellite C0mpany(汉因斯司泰特公司)Hastelloy Cabot Corporation(钴业公司)Inconel Inco Alloys Int
14、ernational,Inc(国际因科合金公司)Mar-M Martin Marietta corporation(马丁马丽塔公司)Multiphase Standard Pressed Steel Co(标准压制钢公司)Nimonjc Mond Nickel Company(蒙特镍公司)Rene General Electric Company(通用电气公司)REP Whittaker Corporation(惠特克公司)Udmit Special Metal,Inc,(特殊金属公司)Unitemp Universal-Cyclops steel Corporation(宇宙-独眼巨人钢公司
15、)Vitallium Howmet Corporation(豪梅特公司)Waspaloy Pratt&Whitney Company(普拉特-惠脱尼公司),镍基高温合金应用广泛，铁基高温合金和钴基高温合金也有一定的应用。所有高温合金都含有多种合金元素，有时多达几十种。这些合金元素将产生合金强化。合金强化：加入的多种合金元素与基体元素(镍、铁或钴)产生作用，从而产生强化效应：固溶强化 第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化)晶界强化 工艺强化：采用新工艺，或者改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化。高温合金强化=合金强化+工艺强化,5.3 高温合金的强化,镍、
16、铁、钴基三类高温合金的合金强化特点：(1)镍为面心立方结构，没有同素异构转变；铁、钴仅在高温下为面心立方奥氏体结构，因此，铁基和钴基合金中须加入扩大奥氏体相区的合金元素。(2)镍化学稳定性较高，钴和铁抗氧化性低于镍，但钴抗热腐蚀能力比镍强；加铬可显著改善镍基合金的抗氧性和钴基合金的抗热腐蚀性。(3)镍的相稳定性最好，镍或镍铬基体可固溶更多的合金元素而不生成有害相；铁的相稳定性最差，铁或铁铬镍基体只能固溶较少的合金元素，有强烈的析出各种有害相的倾向。(4)铁的密度最小，但膨胀系数最大，导热能力较好；钴与镍比较，其导热性较好，膨胀系数较低，所以其热疲劳性能较优。镍是最佳的基体金属，使得镍基高温合金
17、成为最佳的高温合金系列。钴基合金耐热腐蚀及耐热疲劳性能高，可以发挥其优势，有较长的使用寿命，适用于高温低应力下长期使用的静态部件。铁基合金的使用温度范围较镍基和钴基低。,基体元素的作用,高温合金的固溶强化 奥氏体固溶强化与下列因素有关：(1)溶剂原子与溶质原子大小不同引起的畸变弹性应力场的作用。(2)溶剂和溶质原子的弹性模量差别而产生的强化效应。(3)静电交互作用引起的非均匀分布固溶强化。(4)化学交互作用引起的非均匀分布固溶强化。(5)短程有序原子分布引起的固溶强化。高温合金的第二相强化 高温合金第二相强化分为时效析出沉淀强化、铸造第二相骨架强化和弥散质点强化等。时效沉淀强化主要是(Ni3A
18、1Ti)，(NixNb)或碳化物的时效沉淀强化。弥散强化主要是氧化物质点或其他化合物质点的强化。钴基铸造合金常有碳化物骨架强化。,高温合金的晶界强化 高温形变时晶界区原子排列规则性被破坏，存在各种晶体缺陷。因此晶界在低温形变条件下是位错运动的阻碍，产生细化强化。但当温度升高和应变速率降低时，晶界对位错运动的阻碍作用降低，晶界区的积塞位错易与晶界缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动及迁移。晶界滑动是晶界直接参与形变，有时晶界形变量可占总形变量的50%以上。这样，高温形变条件下晶界就成为薄弱环节。所以晶界强化是高温合金的基本问题。强化晶界的方法：提高合金尤其是晶界的纯洁度，并对晶界微合金化 控制
19、晶界尺寸、形状和位向镁的晶界强化作用机制：1)镁强烈平衡偏析于晶界及相界。2)镁改善晶界第二相形态。3镁强烈提高晶界的性能。,晶界控制 晶粒大小及其与部件厚度比对力学性能有重要影响。大晶粒材料一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率。小晶粒材料却表现出有较高的抗拉强度与疲劳强度。在高温静态下工作的材料晶粒可以控制得大一些，对于在中温动态下工作的材料晶粒则应小些。晶界的平直与弯曲对蠕变性能有重要的影响。晶界弯曲阻碍晶界滑动及楔形晶界裂纹的形成，阻止沿晶裂纹(孔洞)的连接。消除横向(与外应力垂直方向)晶界可有效提高高温强度。横向晶界，甚至树枝晶界，总是裂纹优先形核与扩展的地点。所以消灭横向晶
20、界将会推迟蠕变裂纹的形成与扩展。进一步消灭晶界得到单晶合金，则性能又进一步提高。,高温合金的强化工艺途径 形变热处理强化：将形变与热处理结合起来优化合金的组织结构、提高合金强度的工艺。除了传统的冷加工强化以外，高温合金常采用中温形变热处理与高温形变热处理(或直接时效工艺)。中温形变热处理：是在低于再结晶温度下进行适当的形变，以后再时效处理或恢复去应力处理。中温形变造成微观组织与结构不均匀性，促进晶内均匀细小析出，有利于碳化物等第二相在位错等缺陷处析出及减小横向晶界的作用(晶粒拉长)，从而提高合金强度。高温形变热处理：在再结晶温度并进行热加工。结合晶界相的控制优化晶界组织，控制合适的晶粒大小及晶
21、界形状，也有利于以后进行直接时效处理(没有固溶处理)时均匀细小析出，强化析出相与位错的交互作用，从而提高强度。,复相组织强化 复相组织是指尺度相差不多的两个相的混合组织，如定向共晶组织和纤维强化高温合金的组织 复相组织的性能与两个组成相都有关。单晶体位向与织构控制 单晶体的位向对强度有重大影响。一般说001方向是强度高的方向，111及011方向次之。快速凝固工艺 快速凝固条件下合金组织细化，偏析降低，固溶体基体过饱和度和缺陷增加，从而达到改善合金的组织。,作业：1 概念：高温合金2 高温合金有那些合金强化效应？3 高温合金有那些质量要求?4 我国高温合金是怎样分类编号的?5 高温合金第二相强化有那些类型?6 强化高温合金晶界的两种方法是什么?7 为什么说晶界强化是高温合金的基本问题?8 高温合金有那些强化工艺途径?,
