金属学论文-镍基超合金的合成方法及其新发展

1、合恥摩浚hefe i university论文题目：鎳基超合金的合成方法及其新发展课程名称：金属学热处理专业班级：15级粉体材料科学与工程(1)班姓名:胡叶莲学 号：1503011007银基超合金的合成方法及其新发展摘要：银基合金是30年代后期开始研制的，英国于1941年首先生产出银基合金 nimonic75(ni-20cr-0. 4ti)；为了提高潜变强度又添加a1,研制出nimonic 80(ni-20cr- 2. 5t1-1.3a1)；而美国于40年代中期，俄罗斯于40年代后期,中 国于50年代屮期也先后开发出银基合金。银基合金的发展包括两个方面，即合 金成分的改良和生产技术的革新。鎳基

2、合金一般以ni含量超过30wt%之合金称 之,常见产品之ni含量都超过50毗,由于具有超群的高温机械强度与耐蚀性 质，与铁基和钻基合金合称为超合金(superalloy), 一般是应用在540°c以上的 高温环境，并依其使用场合，选用不同合金设计，多用于特殊耐蚀环境、高温腐 蚀环境、需具备高温机械强度z设备。常应用于航天、能源、石化工业或特殊电 子/光电等领域。关键词:性能应用正文:> zjvdzr k-i ii/a hno1、高温(瞬时)强度镰基合金室温下就具有较高的拉仲强度(ts= 1200-1600, ys=900-1300mpa), 且具有较好的延展性。包含利用以离子与

3、共价键结，在常温下具有高熔点、高强 度zy'或y''等析出相，搭配滑移系统多而具延展性z沃斯d3铁相基地，以复 合材料之概念得到兼具强度塑性之优异机械性质。2、潜变强度潜变为材料在高温(t/tm>0. 5)恒荷载作用下，缓慢地産生塑性变形的现象， 为材料合金由于具有最佳的抗高温潜变能力，而被广泛的使用在齐种高温环境， 作为承力件应用。潜变变形可分为三个阶段，在初步潜变(primary creep)阶段，变形速率相 对较大，但是随着应变的增加发牛加工硬化而减慢。当变形速率达到某一个最小 值并接近常数，此时称为第二阶段潜变，或稳态阶段潜 变 (secondary or

4、 stcady-statccrccp),这是由于加工硬化和动态回复达 到平衡的结果，在工程材料设计上所要求之潜变应变率就是指这一阶段的应变 率。在第三阶段(tertiary creep),由于颈缩现彖，应变率随着应变增大而呈指 数性的增长，最后达到破坏。3、耐腐蚀性鎳基合金在强述原性腐蚀环境，复杂的混合酸环境，含有卤素离子的溶液中 都具有很好的耐蚀性，银基耐蚀合金可以hastelloy合金为代表，ni元素在晶 体学上能容纳较多的合金，来增进抵抗腐蚀环境的能力；且ni本身就具有一定 的抗腐性，如对抗c1离子的应力腐蚀与苛性碱腐蚀具有绝佳抵抗能力。而鎳基 合金中添加的钝化多种元素可与基材相形成固溶

5、体，提升了材料的腐蚀电位及热 力学稳定性。二、银基合金的生产技术传统之镰基合金的生产流程为鎳原料一鎳合金铸锭(熔炼)一二次精炼一加 工-> 成品一下游鎳基合金之成分组成以ni-cr-fe为主，其它元素的添加如cu、si、mn、al、ti、nb、w、c等。一般从文献可了解这些元素对超合金材料的影响，但若 要重组或添加新的合金成份，并了解其在微组织z交互作用，近来已有以材料 性质模拟软件，可进行合金系统热力学与动力学的计算，协助提供高性价比之方 向，可提高合金设计的效率。而合金设计的实现则须由熔炼技术来完成，银基合 金熔炼主要区分为一般品级的电炉(electric arc furnace,

6、eaf) +电渣重熔 精 炼 (elcctro-alag remclting , ear)及高品级的 真空感 应熔炼 (vacuum induction melting, vim) +电渣重熔精炼产品。为了熔炼时获得更 纯净化的合金钢液，减低气体含量与有害元素含量；同吋由于部分合金中有易氧 化元素如al、ti等存在，以非真空方式冶炼难以控制；更是为了获得更好的热 塑性，镰基合金通常采用真空感应炉熔炼，甚至用真空感应熔炼加真空自耗炉或 电渣炉重熔方式进行生产。牒基合金在加工方面常采用锻造、轧制等方式型，对于热塑性差的合金真至 采用挤压开胚后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压技术。-般变形的0的

7、是 为了破碎铸造组织，优化微观组织结构。银基合金在高温时较高之变形阻抗与热 延性的不稳定，增加了银基合金制程上的困难度。一般镰基合金强度高，冷、热 加工不易，以c-276为例，高温变形阻抗约为不锈钢之2. 4倍；且冷加工之高 硬化率使得其强度可至不锈钢的2倍。而热加工吋除需考虑高温变形阻抗外，还 需考虑不同温度下热延性之不同变形阻或夹杂物出现之区域）的发牛与否，而不 纯区则会伤害合金之高温机械性质， 三、镰基合金的应用1、鎳基合金在激光熔覆再制造中的应用激光熔覆技术是一种先进的表面工程技术，与其他常用的表面工程技术相 比，具有涂层结合性能好、热影响区小、可控性高等独特优势，己成为了一种重 要的

8、再制造技术，并在矿山、冶金、化工、能源等领域关键零件的再制造中得到 了成功的应用。银基合金粉末因具有很好的耐磨性、耐蚀性、抗热疲劳性等特点, 是在再制造工程中应用十分广泛的表面强化涂层材料。激光熔覆能在普通金属基材上制备出高性能的合金表面，冃不会影响基体性 质，能节约贵重稀有金属材料，经济效益很高。其基本原理是在移动激光束作用 下，将金展或陶瓷粉末与基体表面迅速熔化，依靠自激冷却形成稀释率极低、与 基体材料呈冶金结合的高性能表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐 热等特性。2、银基合金在碳钢与不锈钢焊接中的应用过去通常采用309型焊接材料焊接碳钢和不锈钢异种钢接头，这种接头在长 时间高温

9、作用下，会造成碳的迁移，严重影响接头的力学性能。采用银基合金焊 接材料，减少了高温下碳的迁移，可防止增碳层、脱碳层及脆化过渡层的形成， 保证长时间高温工作条件下接头的性能。采用文中工艺参数，利用鎳基合金进行 异种钢接头焊接，得到的焊接接头外观成型良好。对焊接接头、进彳亍100%射 线检测，没有发现气孔、未焊透及未熔合等焊接缺陷，焊接接头力学性能满足使 用要求。四、银基合金的新发展1、新型银基合金在超临界多种离子共存环境下的腐蚀行为研究一种新型鎳基合金x-l#在550 °c, 23 mpa含p04 3- , c1-和s04 2- 超临界水中分别腐蚀72, 159, 248, 429和5

10、37 h的腐蚀特性。结合sem, eds, xrd和xps等分析测试方法研究了 x-1#合金氧化膜和反应釜沉积物的形貌、物相 组成和元素成分分布等。结果表明，x-1#合金在该环境下形成了均匀和完整的氧 化膜，氧化膜由疏松外层和致密内层组成，外层主要包含nio, ni(0h)2和磷酸 盐，内层由nicr204和cr203组成.腐蚀初始阶段腐蚀速率较快，248 h后腐蚀 速率明显下降，这是由于氧化膜内层稳定性好且连续致密分布，有利于x-1#合 金抗高温氧化腐蚀。(1) 经 550 °c, 23mpa 含 n&3p04, nacl 和 na2so4 超临界水腐蚀后，xt# 合金氧化

11、膜外层由ni (0h) 2, nio和na3p04, ni3 (p04) 2, crp04组成，内层由cr203 和nicr204组成。(2) na3p04在超临界水屮过饱和形成沉积,ni3(p04)2和crp04由x-1#合金 溶解的金属阳离子与酸根离子反应形成，ni(0h)2和nio为金属阳离子反 应形 成的氧化物,cr203由内层富集的cr3+与向内扩散的02-反应生成，nicr204由 nio和cr203相互反应形成。(3) x-1#合金在超临界水中均匀腐蚀，初始阶段腐蚀速率较大，腐蚀248 h 后腐蚀速率明显降低，这是由于氧化膜内层cr203和nicr204稳定性好，有利 于合金抗高

12、温氧化。(4) x-1#合金氧化膜产物和沉积物基木一致，但沉积物中还包含mo02. mo02 为x-1#合金表面氧化产物，在高温高压下挥发并沉积在反应釜中，对x-1#合金 的抗氧化性无显著作用。2、牒基高温合金的发展鎳基高温合金是以鎳为基体(含量一般大于50)、在6501000°c范围内具有 较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。它是在cr20ni80合 金基础上发展起来的，为了满足1000°c左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、 高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素, 如w、mo、ti、al、nb、co等，以保证其优越的高温

13、性能。除具有固溶强化作用， 高温合金更依靠ak ti等与ni形成金属问化合物丫 '相(ni3al或ni3ti等)的 析出强化和部分细小稳定mc、m23c6碳化物的晶内弥散强化以及b、zr、re等对 晶界起净化、强化作用。2. 1银基高温合金的发展趋势从用途和发展的角度分析，鎳基高温合金的发展趋势必向高强度、抗热腐蚀 性、密度小的方向发展。追求高强度。通过添加适量的al、ti、ta,保证丫'强化相的数量.加 人大量的w、mo、rc等难熔金屈元素，也是提高强度的有效途径。但是为了维持 良好的组织稳定性，不析出。、u等有害相，而在新一代合金屮通过加入ru來 提高合金的组织稳定性。(2

14、) 发展抗热腐蚀性能优越的单晶合金。通过添加适量的w、ta等难熔金属, 保证高的cr含量。(3) 发展密度小的单晶合金。从航空发动机设计的角度考虑，密度大的合金 难有作为，特别是对动叶片，在非常大的离心力下是不适合的。为此，要发展密 度小的单晶高温合金,如cmsx-6、rr2000、tms-6k a 3、onera m-3等,其 中的rr2000单晶合金实际上是在in100(k17)合金基础上发展的，密度为7. 87g / cm310o总结：近年来，全球镰基合金产量将持续增加，尤其以石化用zeaf等级及能源 /航天用之vim等级鎳基合金之需求量的增加最为明显，其中又以亚洲市场的成 长最为迅速，

15、在航天、能源方面之应用将大幅增加。台湾地区之银基合金产业主 要分为接受国外厂商委托之精加工回销，与能源、石化厂建厂两大类，其中又以 后者产值较大。由于台湾之银基合金在与关键技术之开发与工业产品之生产尚 处于发展屮z阶段，因应能源、节能环保、生医等新兴产业的蓬勃发展，为协助 下游取得高端材料，并提升金属产业整体竞争力，中钢已于2011年结盟华新， 结合华新精炼能量与中钢轧延优势，已成立中钢精密锻材公司，投入钛合金、银 基合金、及模具钢等高端特殊合金的生产，并希望与国内业界伙伴携手合作，期 能为国内金属产业的升级与发展共创佳绩。参考文献：1 孙咸.珠光体钢与奥氏体钢异种钢焊接材料的选择与应用j机械制造文摘(焊接分册