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1、1,第十章 镍基合金,2,第一节 高温合金概述,3,高温合金,高温合金指 能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。以高熔点金属Ni（1450）、Co（1480）、Mo（2620）等为基体，加入其他元素构成的在高温下使用的金属材料。,4,1、具有高的热稳定性、热强性、高温蠕变性能；2、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳性能好；3、比强度高和弹性模量高，热膨胀系数小，导热性好；4、具有良好的加工工艺性能。,高温合金的特点,5,它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等），也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要
2、高温结构材料。,高温合金的应用领域,6,高温合金汽车增压器喷嘴环叶片,燃气轮机涡轮零件,高温合金的应用领域,7,高温合金的分类,高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金，使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。,8,高温合金的分类,9,高温合金的发展,世纪年代后期起，英、德、美等国开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型
3、航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。,10,高温合金的发展史,年，高温合金涡轮叶片的第一批喷气发动机取代了活塞式发动机。燃气涡轮旋转叶片流入的气体温度愈高，发动机的推力也就愈大。年代初，英国在合金中加入少量铝和钛，研制成第一种较高的高温强度的镍基合金。同期，美国开始用维塔利姆钴基合金制作发动机叶片，还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。,11,发动机涡轮盘用高温合金,发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel 718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大
4、增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。,12,发动机涡轮盘用高温合金,就涡轮盘材料而论，除广泛使用的粉末盘及其发展型的双性能粉末盘、三性指粉末盘外，细晶变形盘由于成本低也被看好。俄罗斯就坚恃认为采用传统熔铸变形盘，完全可满足第四、五代发动机的需要。,13,发动机涡轮盘用高温合金,喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能。快凝组织特性又奠定了其性能优势，包括远优于铸锻工艺、相当或高粉末冶金工艺的强度与持久寿命，优于粉末冶金工艺的塑性、韧性及低周疲劳寿命，因晶粒细化而改善的热加工性能等。,14,发动机涡
5、轮盘用高温合金,由于传统变形盘的工艺设备均能使蔼用，且材料利用率高，成本明显低于粉末盘，因此，喷射盘有可能成为粉末盘的强劲对手，是一种有极大发展潜力的制备技术。,15,航空发动机叶片材料,21世纪前10年，单晶叶片材料仍占主导地位。叶片材料经历了铸造合金、定向凝固合金和单晶合金的发展历程，国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。,16,航空发动机叶片材料,这些单晶合金由于富铼易产生脆性相，近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向，开发出第四代单晶。发展的趋势是将结构一材料工艺统一考虑，即开发lamiloy技术，采用铸造及激光打孔工艺直按制造发散冷却孔道。,17,航空发动机叶片材料,金属
6、间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的“热障涂层”受到重视。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。,18,航空发动机叶片材料,采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微叠层纳米热障涂层可望将叶片的耐温能力提高260。除用于叶片外，微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用机遇。,19,航空发动机叶片材料,我国铸造涡轮叶片材料超过20种，低密变、低成本的第一代单晶合金
7、DD3性能与国外同代合金相当，已用于直升机小发动凯涡轮叶片；第二代单晶高温合金DD6正在推广应用于先进的涡轮发动机叶片，其承温能力相当于国外同代合金，而成本更低。,20,高温合金的未来,1.难熔金属合金：目前使用的高温合金，其使用温度很难突破合金熔点温度的80%，近似1100。难熔金属的熔点大大超过高温合金，约2000。由这些金属组成的合金，可获得比高温合金更高的强度。,21,高温合金的未来,难熔金属合金：超过900，材料会失去抗氧化性能，阻碍了其实际应用，采用保护涂层方法可解决。此外多采用锻件。采用石墨、B、W、Mo和Al2O3、SiO2晶须作为纤维与Ni、Co高温合金组成复合材料的实心涡轮
8、叶片，可是涡轮温度和转速提高；,22,高温合金的未来,2.金属间化合物：新型的金属基高温材料。长程有序的化合物为基的材料，如Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl、(Fe、Co、N)3V、Ti3Al等。在一定温度范围内其屈服强度随温度升高而升高。,23,高温合金的未来,金属间化合物的脆性：是影响其应用的最大问题。脆性与有序化排列及复杂的晶体结构有关。某些材料单晶塑性好，但多晶很脆。（1）加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布。（2）通过合金化改变有序结构的类型。（3）微合金强化晶界。如，添加B消除晶界脆性。（4）材料的纯化。使用高纯原材料。（5）细化晶粒。细化第二相组织及加入弥散第二相
9、质点。,24,高温合金的未来,2.金属间化合物：合金化元素有效性依赖于合金所处的位置。根据其占位行为替代溶质元素在A3B化合物中的占位可归结为三类：只占据亚晶格；只占据亚晶格；由组分决定的占据两种位置。其中第三类元素在两种位置的占位是浓度，组份和温度的函数。合金化元素替代亚晶格，可以降低有序能，提高塑性；替代亚晶格 能促使结构转变；如果溶质原子与Al原子有较大的尺寸失配度，则能提高屈服强度。Ni3Al金属间化合物常添加B以提高其机械性能，除添加B外，Zn，Ti，Si，Cr，Mn，MO，W，Nb，Ta，V，Hf，Zr，Ni，Co，M，Ta，Re，Fe，Ga，Ge等元素作为第三组元，添加到L12型
10、或B2型金属间化合物中，从而提高改良合金元素的力学性能和高温工作能力。,25,26,27,2009年发展出L12、6H结构相复合强化，形成不同K-W锁、返程剪切取向、筏化方向。,2006年Science报道，CoAlW合金中发现高温稳定的L12结构Co3(Al、W)相，承温能力提高200，是高温合金最重要的进展之一。,L12-CO3(Al、V),具有优良的热疲劳抗力、高温蠕变抗力、高温强度、抗热腐蚀性等，在高温部件应用有很好前景。,2008年，通过元素掺杂提高固相线温度100-150，强化相稳定性达固相线的90%，断裂应力-温度关系平坦。,计算结果：反位缺陷、掺杂元素与结构稳定性,计算结果：界
11、面结构与结构稳定性,计算结果：包含了相取向、相形貌的组织结构及其稳定性,32,第二节 镍基合金的发展,33,镍基合金的发展史,英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。年代以后，人们为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金。,34,美国40年代中期，苏联于40年代后期，中国50年代中期也研制出镍基合金。50年代初，真空熔炼技术为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。50年代后期，轮叶片要求更高的高温
12、强度，发展出一系列高温强度的铸造合金。,镍基合金的发展史,35,从40年代初到70年代末，镍基合金的工作温度从 700提高到1100，平均每年提高10左右。,镍基合金的发展史,60年代中期发展出定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。,36,镍基合金的发展史,高温镍基合金在发动机中的用量日益增加，用到发动机总重量的，某些新式军用发动机中用到总重量的。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备等。,37,镍基高温合金的发展趋势,镍基变形高温合金牌号,以镍为主要基体成分的变形高
13、温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合金3类。,39,高温合金（GH132、GH145、GH169）,GH3039等高温合金系列,镍基变形高温合金牌号,40,镍基铸造高温合金,以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、K2等。随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用
14、精密铸造工艺才能生产。这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。,41,第三节成分、组织、性能,42,Ni基高温强度高的主要原因:可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物Ni3(Al，Ti)相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。,成分和性能,43,Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，20世纪4050年代发展的镍基变形高温合金中铬含量高达18%20%，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%12%。过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力。,成分
15、和性能,44,固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素。弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。加入硼、铈、镁等晶界强化元素。,成分和性能,45,固溶强化型合金,具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大的部件，如燃气轮机的燃烧室。,46,固溶强化型合金,47,沉淀强化型合金,通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，
16、可用于制作高温下承受应力较高的部件，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等,48,沉淀强化型合金,49,燃气轮机涡轮零件,50,变形合金组织特点：主要的强化相是(Ni3Al)相，含量达20%55%左右。另一类强化相是(Ni3Nb)相，在700以下对强度的贡献远大于相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。加工方法：变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。,镍基合金的显微组织特点,镍基铸
17、造高温合金以相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成相进行强化，相数量较多，有的合金高达60%；加入钴能提高相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。,镍基合金的显微组织特点,52,镍基合金的显微组织特点,合金中除奥氏体基体外，还有在基体中弥散分布的相，在晶界上的二次碳化物和在凝固时析出的一次碳化物和硼化物等。随着合金化程度的提高，其显微组织的变化有如下趋势：相数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，并
18、由球状变成立方体，同一合金中出现尺寸和形态不相同的相。,53,镍基合金的显微组织特点,在铸造合金中还出现在凝固过程中形成的+共晶，晶界析出不连续的颗粒状碳化物并被相薄膜所包围，组织的这些变化改善了合金的性能。现代镍基合金的化学成分十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素(尤其是主要强化元素)的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出有害相，如、相，损害合金的强度和韧性。,54,镍基高温合金中的相(针状相）,55,第三节 各类镍基合金,56,主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。在6501000高温下有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能力，是高温合金中应用最广、高温强度最高的一
19、类合金。用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。,镍基高温合金,57,主要合金元素是铬、钼、钨，还含有少量的铌、钽和铟。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蚀、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作为包覆材料，通过堆焊和喷涂工艺将其包覆在其他基体材料表面。,镍基耐磨合金,58,包括镍基软磁合金、镍基精密电阻合金和镍基电热合金等。最常用的软磁合金是含镍80左右的玻莫合金，其最大磁导率和起始磁导率高，矫顽力低，是电子工业中重要的铁芯材料。,镍基精密合金,59,镍基精密电阻合金的主要合金元素是铬、铝、铜，具有较高的电阻率、较低的电阻率温度系数和良好的耐蚀性，用于制作电阻
20、器。镍基电热合金是含铬20的镍合金，具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，可在10001100温度下长期使用。,镍基精密合金,60,含钛50（at)的镍合金。回复温度是70，形状记忆效果好。改变镍钛成分比例，可使回复温度在30100范围内变化。多用于制造航天器上使用的自动张开结构件、宇航工业用的自激励紧固件、生物医学上使用的人造心脏马达等。,镍基形状记忆合金,61,1热处理工业。如炉辊、钟式炉及退火炉等。2.煅烧炉。如用其来煅烧生产高性能刚玉，煅烧铬铁矿，以生产铬铁合金，回收在石油化工中用作催化剂的镍。3化工和石油化工，用其制备新的蒸汽裂化粗汽油炉，以生产氢等。4自动化装置。如催化支撑系统，火花塞。5核工业用清洗设备，如核废料清除。6钢铁工业。如直接还原铁矿石工艺，生产海绵钛。,应用行业,62,Thanks for your attention!,谢谢大家！,
