培训材料-高性能合金技术要点

高性能合金技术要点

必背会按性能特征精密合金、高温合金、耐蚀合金、特殊不锈钢按成化学成分镍基合金、钴基合金镍合金工艺生产成分组织复杂、性能特殊制造流程长、工艺方法特殊、工艺难度大成分、组织、性能要求高，控制和测试难服役条件特殊，常有可靠性要求什么是高性能镍合金性能与成分设计微合金化问题特殊冶金与成分控制成分控制与化学分析技术偏析控制与消除先进锻造技术的应用热处理与组织性能控制缺陷控制与无损检验技术短流程与材料循环高效利用镍合金的共性技术问题典型性能要求物理特性——磁性、膨胀、弹性等及其随温度的变化力学性能——强度、塑韧性、硬度、疲劳、持久、蠕变及其随温度的变化化学性能——氧化、腐蚀、腐蚀断裂、腐蚀疲劳典型成分和元素磁性——Fe、Co、Ni为基础，典型合金化元素有Al、Si、Mo、Cu、Nb、V、B等膨胀、弹性——Fe-Ni、Fe-Co系为基础，典型合金化元素有Nb、Cr、Ti、Al、Mo力学（高温力学）——Mo、W、Ti、Al、Nb、C、N氧化——Ni、Cr、Al、Si、Y腐蚀——Cr、Ni、Mo、Cu、Si、Ti、Ta、Zr、Nb、N公认的有害微量元素——P、S、As、Sn、Te、Bi、Pb、O、N公认的有益微量元素——La、Ce、Y、Ca、MgZr、V、C、B、Nb、Ti、镍合金的性能与成分设计现象低温脆性、高温脆性、回火脆性、韧性材料的脆化、持久和蠕变寿命大幅缩短、晶间腐蚀等典型问题原因P、S、O、H、复杂结构的碳化物、As、Se、Te、Bi、碳化物析出导致晶间合金元素贫化等，有害杂质在材料晶界、晶面、拉应力区域等特定位置的高倍率聚集、直接形成有害相或促使有害相析出是关键。方法直接——通过冶金手段是合金材料纯化甚至达到超纯的程度（虽进展快，但难度大、成本高），但不能完全避免。间接——加入热力学和动力学行为与有害元素类似的微量元素，使之与有害元素生成稳定的化合物、改变有害元素扩散和聚集的热力学条件以阻止其有害行为、改变有害相析出的热力学条件以阻止有害相析出、是某些弱化的区域得到强化。材料纯净化与微合金化的完美结合是关键合金体系、服役条件、失效形式、有害元素、性能需求、技术难度、成本考虑镍合金的微合金化技术冶金是基础冶金过程确定化学成分化学成分是合金具备某种（些）特性的根本依据所有元素可归为两类——确保范围、尽量减少，他们是一对矛盾，此外成本也是要素目标可分步达到，冶金方法、原料、冶金过程参与物质、工艺参数、多参数结合运用、合金化条件和顺序、不同冶金方法的有效结合等都是关键特种合金的典型冶金方法炉外精炼（脱碳、脱硅、脱氧、加氮、合金化等，氧化、还原、合金化，最复杂、最经济）真空感应熔炼（不造渣、造渣，周期、半连续）电渣重熔（无保护、惰性气体保护、特定气体高压）真空自耗重熔、真空电渣重熔上述工艺的有序（有效）结合主要关注点是高蒸气压的易挥发元素、易氧化烧损的活性元素、难以去除的有害杂质元素、必须确保的微量元素、易与冶金过程参与物质发生物理化学反应的元素。渣、温度、压力、气氛、反应面积（搅拌）、速率等多参数等都是关键。镍合金的特殊冶金技术镍合金冶金技术趋势纯净化与超纯净化微合金化的实现低偏析技术与凝固控制技术低品质原料利用与材料循环高效利用技术局部重熔技术等离子熔炼、无坩埚熔炼等新技术的采用多种工艺方法结合技术短流程技术化学元素分析技术是冶金技术发展的重要依托（传感和反馈）面临的主要问题常见元素的快速精确分析易干扰元素的精确分析微量痕量元素的精确分析和快速分析样品制备往往成为最麻烦的事仪器分析是关键常见分析方法和仪器火花直读光谱、X射线荧光光谱、高频等离子光谱质谱、碳硫仪、气体分析仪等电子探针是最佳的微区分析手段最原始的化学分析方法是基础冶金技术的依托热处理是控制并获得最终组织和性能的关键特种合金比常见合金材料遇到更多的热处理问题枝晶偏析超量、大块、不合理分布的碳化物低熔点的共晶析出相晶粒度与均匀性控制并不容易有序相、碳化物、氮化物、金属间化合物等随热处理的变化十分复杂析出相大小与数量控制、有害相的抑制磁性、膨胀、恒弹性、电阻率、热电等物理性能控制应力状态与长期稳定性控制特种合金的热处理难度更大加热保温步数多加热冷却多有速率要求保温温度范围极窄温场均匀性要求更高热处理变形控制更严且处理后不允许变形矫正特种合金常用的热处理方法高温扩散退火、分及固溶处理、分级时效处理、长时和分级稳定化处理、磁场热处理等镍合金热处理的特殊性先进锻造技术和装备的采用锻造是获得预期组织和性能的基础特种合金锻造的特殊问题导热系数低，某些牌号对加热气氛及燃料杂质敏感，锻造加热条件要求高锻造温区窄，个别合金仅有大约100摄氏度晶体结构特殊、相组成复杂、动态再结晶慢、高温塑性差变形抗力大且对变形速率敏感杂质元素易于在晶界聚集，导致晶界强度低，极易断裂难以达到较大的变形深度，极易造成组织不均匀某些牌号需要特殊的锻后冷却方式特种合金的锻造方式早期锤锻为主液压机锻造（两锤头和四锤头方式）液压机开坯锻造+精锻机（径向锻机）锻造液压机等温锻造，等温模锻和超塑性锻造电墩机锻造（用于特殊零件锻造）根据不同牌号特种合金的高温变形特性选用适宜的锻造方式是关键某些特种合金的锻造难题不一定能够通过锻造技术得到解决常见缺陷缩孔、气孔、凝固裂纹、发裂、白斑、黑斑、过量夹杂、夹渣、异种金属、纵向锻造裂纹、横向锻造裂纹、热处理裂纹、混晶、组织粗大、表面起皮、折皱、裂纹烧蚀等等冶金因素、锻造、热轧、热处理加工过程均可导致缺陷上述多数缺陷在NDT过程中可见异常，但可以准确判定的只有大约一半我们的任务主要有两个将缺陷检出弄清缺陷的成因并克服之检出缺陷的手段NDT，包括超声（横波、纵波、表面波，A型、B型、C型）、渗透（着色、荧光）、磁粉、涡流、X射线、γ射线等低倍检验金相检验（典型情况为100X、500X，分析研究时可以采用各种放大倍数）借助SEM、TEM、EDS、XRD、EPMA、AES等重要手段可以弄清缺陷的成因缺陷形态、大小、分布特征、化学成分、晶体结构等是判定缺陷成因的重要依据确定缺陷成因进而最大程度地避免是目的，前提是你必须对加工过程了如指掌缺陷控制与无损检验技术镍合金材料的服役寿命是一个重要的可靠性问题材料性能是影响零部件服役行为的基础因素零部件的服役条件和环境决定了材料的失效形式针对各异的失效形式必须采取不同的对策没有哪种材料能满足所有的应用需求在失效形式与实验室性能指标之间找的必然的联系用实验室指标推断服役寿命是目的典型的实验室指标有液固相线温度、线膨胀系数、弹性模量、导热率、磁性指标、电性指标、室温力学、低温力学、高温力学、摩擦磨损、均匀腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等等典型的失效形式是环境因素造成的物理性能过量丢失，应力作用下的断裂、超量变形、脆化、疲劳断裂，腐蚀导致的尺寸减小、穿孔、松弛、脆化、断裂，通常情况下应力与腐蚀是共存的对可靠性研究最多的是高温合金和耐腐蚀合金，我国基本以跟踪模仿为主性能评价与寿命评估技术就化学成分而言，新发明的合金越来越少针对特定应用的高性价比合金越来越多材料评价理论、技术