高温合金简介

1、5.1 5.1 高温材料概述高温材料概述5.2 5.2 高温材料分类和牌号表示法高温材料分类和牌号表示法5.3 5.3 高温材料的强化高温材料的强化概念：概念： 高温材料是能在高温材料是能在600以上的高温及一定应力作用下以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类材料。长期工作的一类材料。性能特点：性能特点： 高温材料具有较高的高温强度；高温材料具有较高的高温强度； 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能； 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。组织特点组织特点： 高温材料在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用高温材料在各种温度下具有良好的组织稳定性和使

2、用的可靠性。的可靠性。1 1 高温材料概述高温材料概述1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量Ti、Al加入电工合金80Ni20Cr，蠕变显著提高。1937年：德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世。1939年：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

3、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国外高温合金发展状况牌 号NiCrCoMoWFeAlTiu -Nimonic 8074202.0*-1.5*1.32.2-Nimonic 816530-1.0*11.75-Nimonic 8664.525-10-0.15 Mn0.03 CeNimonic 9424812.51.0*5.5-2543.7-0.015 B1932年：美国年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金金K42B

4、，用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。，用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。1941年：美国开始发展航空燃气涡轮。年：美国开始发展航空燃气涡轮。1942年：年：Hastelloy B镍基合金用于镍基合金用于GE公司的公司的Bellp-59喷气发喷气发动机及其后的动机及其后的I-40喷气发动机。喷气发动机。NiCrCoMoWFeAlTiCuHastelloy A571.0*-21-19-Hastelloy B621.0*2.5*28-5.5-0.4 VHastelloy B2661.0*0.75*28-2.0*0.4*-Hastelloy C276 56162.5*1745.50.4*-0.35

5、* VHastelloy C2254212.5*1435.0*0.4*-0.35* VHastelloy C454161.25*16-2.0*0.4*0.5*-Hastelloy D851.0*-1.0*-4.0*-9 SiHastelloy F45222.5*61.0*18-2-Hastelloy G4422-6.51.0*20-22-Hastelloy N7270.216.50.55.0*0.250.25-0.01 BHastelloy R6615.51.5*5-7.0*2.22.5-Hastelloy S6815.5-14.5-1-0.5 Mn0.4 SiHastelloy W6352.

6、5*24.5-5.5-0.6 VHastelloy X47221.590.618.5-1944年：西屋公司的年：西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金发动机采用钴基合金HS 23精密精密铸造叶片。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。美国的被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、公司、GE公司和特殊金属公司公司和特殊金属公司分别开发出了分别开发出了Waspalloy、M-252和和Udmit 500等合金。并在这些合等合金。并在这些合金发展基础上，形成了金发展基础上，形成了Incone

7、l、Mar-M和和Udmit等牌号系列。等牌号系列。 Waspaloy 5619144.2-1.5*1.43-0.1 ZrNiCrCoMoWFeAlTiCuNbOthersUdimet 500 5317.516.54-4.0*2.93.9-0.01 BM252 54191010-5.0*12.6-MAR M-246 609102.5100.155.51.5-1.5 Ta二十世纪二十世纪4040年代年代5050年代中期：年代中期： 通过合金成分的调整来提高合金的性能。通过合金成分的调整来提高合金的性能。二十世纪二十世纪4040年代：年代： 出现了真空熔炼技术，去除合金中有害杂质和气体，精确控出现

8、了真空熔炼技术，去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如制合金成分，如Mar-M200Mar-M200、In100In100和和B1900B1900高性能铸造高温合金。高性能铸造高温合金。二十世纪二十世纪6060年代：年代： 定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、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。等温锻造等新型工艺的研究开发。 定向凝固工艺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的单晶合金，其使用温度接近合金熔点的9090，至今，各国先进，

9、至今，各国先进航空发动机均采用单晶高温合金涡轮叶片。航空发动机均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

10、展历程我国高温合金发展历程上世纪上世纪70年代初：年代初： 高温合金的生产试制和研究初具规模，通过仿制、消化和高温合金的生产试制和研究初具规模，通过仿制、消化和发展前苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或超过发展前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。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。为上世纪六七十年代的主线。 至上世纪至上世纪70年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达33个，个，其中我国独创的达其中我国独创

11、的达18种。大量应用至今的有种。大量应用至今的有GHll40、GH2135、GH35A和和K213等等4种合金。种合金。上世纪上世纪70年代后：年代后： 引进欧美发动机引进欧美发动机WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生，并研制生产产WP13等发动机，引进和试制了一批欧美体系的高温合金，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。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。

12、等。 40多年来，研究、试制和生产了多年来，研究、试制和生产了100多种高温合金，总计产量多种高温合金，总计产量达达6万万t左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量的电渣炉、的电渣炉、17t大型真空电弧炉、大型真空电弧炉、200kg真空电子束炉以及大型真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。 国际公认的工艺技术：国际公认的工艺技术：低偏析新技术低偏析新技术和和加镁微合金化技术加镁微合金化技术。 通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅

13、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。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。在涡轮、地面燃气轮机、烟气轮机、核反应堆燃料空位格架等

14、。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。相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金。 外部质量外部质量： 外部轮廓形状、尺寸精度、表面缺陷清理方法。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锻制圆饼：鼓形、无歪扭；锻制或轧制棒材不圆度直径偏差直径偏差的的7070，弯曲度，弯曲度 6mm/1000mm 6mm/1000mm；热轧板材不平度；热轧板材不平度l0mm/1000mml0mm/1000mm。内部质量内部质量： 化学成分、组织

15、、力学及物理和化学性能等。化学成分、组织、力学及物理和化学性能等。 化学成分化学成分：除主元素外，对氧、氢、氮及铅、铋、锡、锑、：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银、砷等含量都有要求。高温合金分析元素达2020多种，单晶高温多种，单晶高温合金分析元素达合金分析元素达3535种。铋、硒、碲、铊等含量种。铋、硒、碲、铊等含量1010-6-6。 组织组织：低倍和高倍组织、高温下组织稳定性的数据：低倍和高倍组织、高温下组织稳定性的数据（铸态、铸态、加工态或热处理态、高温长期时效后相应的力学性能加工态或热处理态、高温长期时效后相应的力学性能），其检测，其

16、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。布，纯洁度等。 高温合金的质量要求：高温合金的质量要求： 力学性能力学性能：室温及高温拉伸性能和冲击韧性、高温：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，抗氧化和抗热腐蚀性能。疲劳交互作用下的力学性能，抗氧化和抗热腐蚀性能。 物理常数物理常数：密度、熔化温度、比热、热膨胀系数和：密度、熔化温度、比热、热膨胀系数和热导率等。热导率等。 用户还对生产过程进行

17、控制用户还对生产过程进行控制：对生产中的原材料、：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素质。生产和质量管理水平等进行考核和“冻结冻结”。 合金转厂生经有关航空生产工程来源批准后，生产合金转厂生经有关航空生产工程来源批准后，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。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。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：航空发动机： 现代航空发动机中用量

18、占发动机重量的现代航空发动机中用量占发动机重量的4060，主要用，主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。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火箭发动机及燃气轮机高温热端部件： 上世纪上世纪70年代以来，高温合金在民用工业部门（原子能、能年代以来，高温合金在民用工业部门（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）得到推源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等）得到推广应用，这类高温合金中一部分主要利用高温合金的高温高强度广应用，这类高温合金中一部分主要利用高温合金的高温高强度特性，另一部分主要应用高温合金的

19、高温耐磨和耐腐蚀性能。特性，另一部分主要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目前美国高温合金总产量约为每年2.33.6万万t，大约，大约1213应用于耐蚀材料。应用于耐蚀材料。 高温耐磨耐蚀的高温合金：要求的不是高温强度。这类合金高温耐磨耐蚀的高温合金：要求的不是高温强度。这类合金的成分以镍、铁或钴为基，并含有的成分以镍、铁或钴为基，并含有2035铬，大量的钨、钼铬，大量的钨、钼等固溶强化元素，而铝、钛等等固溶强化元素，而铝、钛等形成元素则要求含量甚少或者根本形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。不加入。高温合金的用途高温合金的用途按合金基体元素种类分：按合金基

20、体元素种类分： 铁基铁基(铁镍基铁镍基)高温合金：含镍量达高温合金：含镍量达2550 镍基高温合金镍基高温合金 钴基高温合金钴基高温合金按合金强化类型分：按合金强化类型分： 固溶强化型合金固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金时效沉淀强化型合金按合金材料成形方式分：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：按使用特性： 高强度合金、高屈服强

21、度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、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。抗热腐蚀合金等。5.2 5.2 高温材料分类和牌号高温材料分类和牌号变形高温合金变形高温合金铸造高温合金铸造高温合金焊接用高温合金丝焊接用高温合金丝粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金弥散强化高温合金弥散强化高温合金等轴晶铸造高温合金等轴晶铸造高温合金定向凝固柱晶高温合金定向凝固柱晶高温合金单晶高温合金单晶高温合金金属间化合物高温材料金属间化合物高温材料镍铝系金属化合物高温材料镍铝系金属化合物高温材料钛铝系金属化合物高温材料钛铝系金属化合物高温材料高高温温合合金金高温合金及金属间化合物高温材料的分类

22、高温合金及金属间化合物高温材料的分类牌号：字母字母+ +阿拉伯数字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）牌号前缀牌号前缀变形高温合金：变形高温合金：GH；等轴晶铸造高温合金：等轴晶铸造高温合金：K；定向凝固柱晶高温合金定向凝固柱晶高温合金 ：DZ；单晶高温合金：单晶高温合金：DD；焊接用高温合金丝：焊接用高温合金丝：HGH；粉末冶金高温合金：粉末冶金高温合金：FGH；弥散强化高温合金：弥散强化高温合金：MGH；金属间化合物高温材料：金属间化合物高温材料：JG。阿拉伯数字阿拉伯数字变形高温合金和焊接用高温合金丝：变形高温合金和焊接用高温合金丝：前缀

23、后用四位数表示：前缀后用四位数表示：第一位：合金的分类号；第一位：合金的分类号； 单号：固溶强化型；单号：固溶强化型； 双号：时效强化型双号：时效强化型第二第二 四位：合金编号，不足位的合金编号用四位：合金编号，不足位的合金编号用“0”补充。补充。其它高温合金和金属间化合物高温材料其它高温合金和金属间化合物高温材料铸造高温合金：前缀后加三位数字铸造高温合金：前缀后加三位数字 第一位：合金分类号；第一位：合金分类号； 第二、三位：合金编号，不足的用第二、三位：合金编号，不足的用“0”补齐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

24、料：前缀后加四位数字材料：前缀后加四位数字铁或铁镍基变形高温合金铁或铁镍基变形高温合金镍基变形高温合金镍基变形高温合金钴基变形高温合金钴基变形高温合金等轴晶铸造高温合金等轴晶铸造高温合金定向凝固柱晶高温合金定向凝固柱晶高温合金单晶高温合金单晶高温合金焊接用高温合金丝焊接用高温合金丝粉末冶金高温合金丝粉末冶金高温合金丝弥散强化型高温合金弥散强化型高温合金金属化合物型高温材料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 corporat

25、ion(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 International,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 Gener

26、al 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)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

27、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。 高温合金强化高温合金强化= =合金强化合金强化+ +工艺强化工艺强化5.3 5.3 高温合金的强化高温合金的强化(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

28、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。 基体元素的作用基体元素的作用高温合金的固溶强化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

29、与溶质原子大小的差异：畸变弹性应力场；(2)溶剂和溶质原子的弹性模量差别：强化效应；(3)静电交互作用：引起的非均匀分布；(4)化学交互作用：引起的非均匀分布；(5)短程有序：原子分布。高温合金的第二相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：(Ni3A1Ti)，(NixNb)或碳化物的时效沉淀。 弥散强化：氧化物质点或其他化合物质点。 钴基铸造合金：碳化物骨架强化。高温合金的晶界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