高温合金简述

镍基高温(gāowēn)合金共十五页21.高温(gāowēn)合金简介高温合金是指能在600℃-1200℃高温下仍能保持设计要求(yāoqiú)正常工作的金属材料，它在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变和良好的疲劳特性。高温合金特点：耐高温具有较高的强度具有良好的疲劳性质具有较高的断裂韧度具有良好的组织稳定性具有较强的抗氧化抗热腐蚀性能具有可靠的使用性能共十五页3

高温合金分类：

变形高温合金按制造工艺

铸造(zhùzào)高温合金

粉末冶金

铁基高温合金按合金主要元素镍基高温合金

钴基高温合金

固溶强化按强化方式时效强化氧化物弥散强化晶界强化共十五页4

镍基高温(gāowēn)合金优点(yōudiǎn)：成本低，可用于一些使用温度较低的航空航天发动机和工业燃气机的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件和紧固件。缺点：组织不够稳定；抗氧化性差；工作温度较低铁基高温合金优点：可溶解较多的元素，具有良好的组织稳定性、高温强度和抗腐蚀性，工作温度较高。缺点：疲劳性能稍差，塑性较低钴基高温合金优点：较高温度下仍具有高强度和抗热疲劳性能缺点：中低温工作性能不如前两种高温合金共十五页52.镍基高温(gāowēn)合金图2.1为20世纪(shìjì)40年代后的镍基高温合金及其工艺的发展过程[1]。Fig.2.1DevelopmentofNi-basesuperalloys共十五页6

镍基高温合金的基本组织类型有：奥氏体基体（高度合金化固溶体）；弥散分布于基体中的碳化物或金属间化合物相，如γ′相[Ni3（Al,Ti）]和γ"相（NiNb，NiTa）；或高熔点稳定化合物质点（由粉末冶金或机械(jīxiè)合金化方法制得）[2]。图2.2为GH4169的金相显微组织结构图。Fig.2.2MicrostructureofsuperalloyGH4169共十五页7镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构，其晶体结构从室温至熔点的温度区间内始终保持面心立方结构不变，同时，许多合金元素都可以固溶到镍基材料中进行充分的合金化，因此镍具有作为高温合金基体元素的优越属性，同时镍基高温合金中可以析出L12结构γ′相，这是镍基高温合金中最有效的强化方式，使得镍基高温合金具有优良的综合性能。在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机(ránqìlúnjī)的热端部件材料。在目前的先进发动机上，镍基高温合金的使用量已占发动机总重量的一半以上[3]。共十五页8镍基高温合金的可加工性取决于决定合金耐热强度的化学元素。组成镍基合金基体成分之一的镍，并不影响可加工性。

镍基高温合金中的硼和铈起强化晶界的作用，带来了加工性的变坏。钛和铝会和镍元素(yuánsù)形成金属γ'相－Ni3（Al、Ti），钛和铝的含量增加导致γ'强化相的增加，合金中金属间γ'相的增加提高了合金塑性变形时的抗剪切强度及金属加工过程中的切削温度。此外，合金中γ'相的增加也增加了粘附抗剪切强度和合金的抗磨蚀作用[4]，从而降低了镍基高温合金的切削性能。共十五页93.单晶高温(gāowēn)合金普通铸造多晶高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温变形的薄弱环节，裂纹极易在此萌生并成为裂纹扩展的通道。如果晶界与应力主轴方向平行，高温下作用在晶界上的应力将会最小，从而抑制裂纹形核增加蠕变持久寿命。在这种思路下，逐渐研究出具有优异的中、高温蠕变持久强度和塑性，而且具有优异热疲劳性能的单晶高温合金。单晶高温合金的高强度是多种强化(qiánghuà)机制和多种元素共同作用的结果。共十五页10

单晶高温(gāowēn)合金的成分特点：C,B,Hf从“完全去除”转为“限量(xiànliàng)使用”。微量(~0.1%)的Hf可以提高涂层寿命和抗氧化/腐蚀性能。C元素具有净化合金溶液，对抗腐蚀性能也有好处。难熔元素(Ta,Re,W,Mo)的加入总量增加Ta增加γ/γ'错配度、强化γ'相和提高其高温稳定性。Ta元素的加入使的合金的坏境性能、涂层性能、铸造性能和组织稳定性都得到改善[5]Re在基体中形成Re原子团，阻碍位错运动，降低合金元素扩散速率，阻止γ'相粗化，并提高γ/γ'错配度。Cr含量降低Cr元素对合金的抗热腐蚀性能具有非常重要的影响；Cr含量降低，就允许加入更多其它的有助于提高合金性能的元素，而且仍能保持组织的稳定，对合金性能的提高极为有利。Co的作用固溶强化和增加γ'相数量，同时改善合金的塑形以及热加工性能，并对合金组织稳定性有一定的提高。Co在γ相中有较大的固溶度，能够降低基体的层错能，使得合金的持久强度和抗蠕变能力显著提高。共十五页11

Kakehi[6]发现镍基单晶高温合金在蠕变过程中表现出拉压不对称性，但不同于屈服(qūfú)强度的不对称性，其不对称性被归结为是否产生孪晶。[001]和[011]取向均可产生孪晶，因而持久性能具有拉压不对称性，而[111]方向的持久过程只与位错的运动有关，所以无此特征。单晶高温合金具有各向异性，即蠕变性能与晶体取向密切相关。共十五页124.镍基高温(gāowēn)合金的应用镍基高温(gāowēn)合金可以用来制造航空喷气发动机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的热端部件，如工作叶片、涡轮盘和燃烧室等。共十五页13参考文献[1]ReedRC.TheSuperalloysFundamentalsandApplications.London:CambridgeUniversityPress,2006.[2]LiuG.,HeN.,LiL.andManZ.L.CuttingforcesduringthehighspeedmachiningofInconel718.KeyEngineeringMaterials,2004,259-260:824-828.[3]TreaM.Pollock,SammyTin.Nickel-BasedSuperalloysforAdvancedTurbineEngines:Chemistry,Microstructure,andProperties.JournalofPropulsionandPower,2006,22(2):361~374.[4]ChoudhuryI.A.andEl-Baradie.M.A.Machinabilityassessmentofinconel718byfactorialdesignofexperimentcoupledwithresponsesurfacemethodology.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,95:30-39.[5]JianZhang.EffectofTiandTaonhotcrackingsusceptibilityofdirectionallysolidifiedNi-basedsuperalloyIN792.ScriptaMaterialia,2003,48(6):677~681.[6]D.Leidermark,J.J.Moverare,S.Johansson,K.Simonsson,S.Sjöström.Tension/compressionasymmetryofasingle-crystalsuperalloyinvirginanddegradedcondition.ActaMaterialia,2010,58(15):4986~4997.共十五页14