《航空工程材料（活页式）》 课件 12高温合金

第10讲高温合金2目录Content1高温合金的概述2高温合金的特点及分类3高温合金的性能要求4高温合金的应用5高温合金的发展一高温合金的概述

高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持按设计要求正常工作的金属材料。随着人类飞向太空，核动力、光子火箭的发展，对高温的要求进一步提高，将超出金属高温合金的极限，需要发展其他类型的高温材料。

高温合金的发展过程一高温合金的概述国外高温合金发展状况1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到80Ni-20Cr电工合金，蠕变显著强化。1937年：德Hansvonohain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Nimonic75，准备用作Whittle发动机涡轮叶片，后为Nimonic80取代，其含铝、钛，蠕变性能比Nimonic75高50℃。1942年：Nimonic80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、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。一高温合金的概述1932年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金K42B，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。1942年：HastelloyB镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及其后的I-40喷气发动机。1944年：西屋公司的YanKee19A发动机采用钴基合金HS23精密铸造叶片。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被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出了Waspalloy、M-252和Udmit500等合金。并在这些合金发展基础上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌号系列。一高温合金的概述

制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。二十世纪40年代～50年代中期：通过合金成分的调整来提高合金的性能。二十世纪40年代：出现了真空熔炼技术，去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的铸造高温合金。二十世纪60年代：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。其中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的单晶合金，其使用温度接近合金熔点的90％，至今，各国先进航空发动机无不采用单晶高温合金涡轮叶片。一高温合金的概述我国高温合金发展历程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WP－5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，WP－5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等高温合金一高温合金的概述70年代初：高温合金的生产试制和研究已初具规模，通过仿制、消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或超过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、生产和应用成为六七十年代的主线。至70年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达33个，其中我国独创的达18种之多。大量应用至今的有GHll40、GH2135、GH35A和K213等4种合金。70年代后：引进欧美发动机WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生产WP－13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。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。一高温合金的概述多年来研究、试制和生产了100多种高温合金，总计产量达6万t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、1～7t大型真空电弧炉、200kg真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。国际公认的工艺技术：低偏析新技术和加镁微合金化技术。通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创制了一系列低偏析合金，其承温能力比原型合金高20℃～25℃。在国外加Mg净化材质和改善热加工性能基础上，我国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，如柴油机增压涡轮、地面燃气轮机、烟气轮机、核反应堆燃料空位格架等。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，还相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金。高温合金的用途航天航空兵器舰船核……能源冶金石化机械建材生物工程等等一高温合金的概述二高温合金的特点及分类耐高温金属材料耐热钢低合金耐热钢铁素体系耐热钢奥氏体系耐热钢500℃↓700℃高温合金铁基（铁镍基）高温合金钴基高温合金镍基高温合金弥散强化合金狭义高温合金700℃

↓1200℃定向凝固高温合金钼基、铬基、钨基高温合金

耐热合金和高温合金的分类在高温下合金能具有较高的强度，良好的疲劳性能、断裂韧度，以及强的抗氧化和抗热腐蚀性能，并保持良好的组织稳定性和可靠的使用性能等综合性能。二高温合金的特点及分类高温合金分类：按合金基体元素种类分：铁基高温合金：含镍量达25％～60％，又称为铁镍基合金镍基高温合金钴基高温合金按合金强化类型分：固溶强化型合金时效沉淀强化型合金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按使用特性：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。二高温合金的特点及分类我国高温合金：汉语拼音字母＋成形方式＋强化类型与基体组元变形高温合金：“GH＋4位阿拉伯数字”“G”、“H”分别为“高”、“合”汉语拼音的第一个字母“GH”后的第一位数字为分类号：

l和2——铁基或铁镍基高温合金

3和4——镍基合金；5和6——钴基合金

1、3和5——固溶强化型；2、4和6——时效沉淀强化型“GH”后的第2、3、4位数字则表示合金的编号。

GH4169：时效沉淀强化型镍基高温合金，编号169铸造高温合金：“K＋

3位阿拉伯数字”。“K”后第1位数字表示分类号，其含义与变形合金相同

2、3位数字——合金编号。

K418：时效沉淀强化型镍基铸造高温合金，编号18合金牌号国外牌号CCrNiCoWMoAlTiFeNb其他K211BAT-45Y0.152046--8------余----K401AHB-3000.0515.5余--8.5--51.8----K406GMR-235D0.1515.5余----5.53.752.5------K409B-19000.18余10--661----Ta4－4.5K417IN-1000.189余15--35.24.8------K417GRene'1000.189余10--35.24.4------K418IN713C0.1212.5余----5.360.8--2.2--K419TRW-VIA0.116余121025.31.2--2.9--K438IN7380.1516余8.52.61.73.253.3--0.9Ta1.5-2K640X-400.525.510.5余7.5------------K644FSX-4140.2529.510.5余7.3------------二高温合金的特点及分类1铁基（铁镍基）高温合金铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在18-8型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在500~700℃温度下的持久强度提高。优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，仅可使用于800℃，2镍基高温合金以镍为基体，wNi>50%，可在700~1000℃温度范围内使用。优点：镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。二高温合金的特点及分类3钴基高温合金wCo在40％~60％的奥氏体高温合金，工作温度可达730~1100℃。优点：当温度高于980℃时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐蚀性都很佳，适合于航空发动机，工业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机的喷嘴等。缺点：一般钴基高温合金含wNi=10%~22%和wCr

=20%~30%，以及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如镍基高温合金。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。三高温合金的性能要求高温合金工作在600~1200℃，高温性能要求：

⑴高温下的力学性能；⑵高温下的抗腐蚀性能。(1)高温下的力学性能

①持久强度指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。要求获得此条件下的最大强度，以表示。其中A，B为材料常数，为时间(h)，是应力(MPa)。持久强度与温度梯度和波动，材料的缺口和应力集中等因素有关。

②热疲劳随热循环应力增加，循环温度或平均温度的增加而下降；循环频率增加，热疲劳强度增加。应力集中也会降低金属热疲劳强度。

③松弛零部件在长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的应力随时间的增加而自发地逐渐降低的现象。此为为高温下合金内部组织不稳定引起。三高温合金的性能要求④蠕变指温度高于0.5T熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线如图所示。根据变形速率随时间的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。三高温合金的性能要求变形速率

ε/s-1IIIIIIABCDABCD变形量

ε

(%)εrtr时间t/h应力、温度为常数第I阶段：蠕变的减速阶段第II阶段：恒定蠕变阶段第III阶段：蠕变的加速阶段当达到图中D点时，材料断裂三高温合金的性能要求变形速率

ε/s-1IIIIIIABCDABCD变形量

ε

(%)εrtr时间t/h应力、温度为常数蠕变断裂时间：温度越高，承受应力越大，蠕变断裂时间会越短。三高温合金的性能要求④蠕变指温度高于0.5T熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线如图所示。根据变形速率随时间的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。

第一阶段，即蠕变的减速阶段。随时间的增加，形变量增加，变形速率降低，见右图的AB段。

第二阶段，即恒定蠕变阶段。此时蠕变变形速率随加载时间的延长而保持不变，如BC段。

第三阶段，蠕变的加速阶段。蠕变形变速率显著增加，当达图中D点时，材料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变断裂时间越短。三高温合金的性能要求(2)抗腐蚀性提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或铬铝、铬硅共渗，陶瓷涂层等。提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。航空发动机和地面燃机四高温合金的应用四高温合金的应用(1)航空发动机四高温合金的应用1)燃烧室

部分压缩空气与燃料混合，在燃烧室燃烧，所产生的燃气温度在1500~2000℃之间。其余的压缩空气在燃烧室周围流动，穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达800~900℃以上，局部可达1100℃。冷却空气与燃烧的气体混合，使燃气温度降到1370℃以下。可见，燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外壁温度不同引起的热应力作用。特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷却，热应力可达很大值，冷却孔更易破坏、燃烧室常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。四高温合金的应用2)导向叶片

导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100℃，但叶片承受的应力比较低，一般在70MPa以下。对材料要求是：高温强度好，热疲劳抗力佳，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。四高温合金的应用3)涡轮盘

航空发动机涡轮盘工作温度在760℃左右，轮缘部分可达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在300℃左右。轮盘正常运转时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。停车、起动反复进行，形成周期疲劳。四高温合金的应用4)动叶片四高温合金的应用动叶片是涡较发动机中工作条件最恶劣的部件。先进航空发动机的燃气进口温度已达1380℃，推力达226kN。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为280~560MPa，相应的叶身承受温度为650~980℃，叶根部分约为760℃。

因此，动叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度，可铸性及较低的密度。四高温合金的应用(2)火箭发动机

透平泵机组的气体发生器处于约1050℃的温度下，由喷嘴中喷出的气体的速度约为2500m/s。气体靠近嘴壁处的温度约为1350℃。对没有特殊防护的一般金属只能做短时忍耐。液体燃料火箭发动机示意图1-喷嘴2-燃烧室3-混合带4-喷射器5-主气门6-气体发生器7-涡轮机8-透平泵9-氧化剂10-压缩气11-燃料12-涂料13，14-金属15-冷却剂16-气体(约2500m/s)四高温合金的应用燃料箱、泵传送器所用材料，特别需要化学稳定性。液态氟以及作为氧化剂的发烟HNO3和N₂O₄，具有特别强烈的侵蚀性，除了在1000℃以上的工作温度下出于腐蚀而引起的问题之外，流过的气态燃烧产物也产生冲蚀性。火箭启动时，在1~2s内，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度过载，会对材料施加非常巨大的机械负荷，尽管元件所受应力是短时的，但由于其载荷的大小和方向急剧地发生变化，往往会引起疲劳断裂。火箭本身重量必须尽可能的小，因此，金属材料的比强度在火箭制造中具有特别重要的意义。弹道火箭进入大气层时，热流量为10000~25000kcal/(m2•s)，它在短时间内，引起巨大的温度梯度，长时间作用则会建立起平衡温度。对金属材料的耐热性有特殊的要求。四高温合金的应用国外长程大推力火箭发动机采用Inconel718合金制造高压导管，国内研制的GH169合金管的疲劳寿命约为1Cr18Ni9Ti钢管的3倍以上，具有良好弯管和焊接等工艺性能，还可用于发动机涡轮转子和主铀。

GH30金丝网多孔发散冷却材料用于火箭发动机、制作喷注器面板，既作防热材料又作结构材料使用。喷注器面板上固定有许多氢气、氧气喷嘴，氢气和氧气喷进燃烧室进行燃烧，面板两侧的温度差异极大，一面为超低温-150℃，另一面为超高温3500℃。能承受发动机点火的瞬间产生强烈的振动使面板受到的较大冲击载荷，并成功地用于通信卫星上。GH131铁基高温合金旋压管用于大型液体火箭发动机涡轮燃气进气导管，还用于900~1000℃使用的大型火箭发动机燃烧室、隔热板、涡轮进气导管，以及航空发动机的加力燃烧室、鱼鳞片等。GH188A合金与国际上最高强化型-钴基变形合金HS-188相当，用于液体火箭姿态控制器发动机头部与身部结合处的高温弹性密封件。四高温合金的应用(3)燃气轮机航空发动机的燃气轮机材料要求在较高温度下，具有较高的持久强度和塑性变形等特点，而使用期限较短；固定式燃气轮机材料要求在较低温度下使用期限很长。固定式燃气轮机装置的使用时间取决于它的用途和功率大小。大功率发电用的固定式装置由于制造费用大，使用时间至少考虑为100000h；商船和热力机车上的燃气轮机装置使用时间考虑在100000h之内；军用舰艇上的燃气轮机装置使用时间考虑10000~50000h。燃气轮机的燃烧室、导向叶片、工作叶片、涡轮盘和转子的要求与航空发动机相似。涡轮盘和气缸法兰盘的紧固螺栓，其工作温度与涡轮盘及气缸相同。燃气轮机中的螺栓，有时必须在高达600~750℃的温度下工作。对紧固螺栓材料的主要要求是高温时应具有高的屈服强度和抗松弛性能。为了使连接的零件可以自由膨胀和减少温差应力，螺栓和连接零件的材料应具有相同的热膨胀性能。四高温合金的应用537合金是在800~850℃工作温度下长期使用的镍基铸造耐热腐蚀合金，可用于地面燃气轮机和舰用燃气轮机上涡轮叶片的制作。合金800℃的抗拉强度可达800MPa以上；在815℃、430MPa下的持久寿命大于100h；800℃、220MPa下的持久寿命大于20000h；抗热腐蚀性能相当于国外的IN-738合金，但不含价格昂贵的稀有金属钽，成本低。543合金具有良好的高温组织稳定性。在800℃、经8000h时效后没有发现有害相。543合金可用作在700~750℃环境下长期使用的燃气轮机动叶片材料。GH333系镍基高温耐蚀合金，工作温度可达900℃，用于制造燃气轮机火焰筒、过渡段等燃烧部件。四高温合金的应用(4)汽油及柴油发动机

1)排气阀工作温度一般为600~800℃，最高可达850℃以上。由于气阀的高速运动和频繁的启动．除了可能出现机械疲劳外，在气阀头部也可能产生冷热疲劳。为了避免“爆振”，常在汽油中加入乙基铅、溴化铅等抗爆剂，所以汽车发动机排气阀要求抗PbO腐蚀。重油中，含钒、硫、钠等，故柴油机排气阀要求抗V2O3,钠和硫的腐蚀。2)烧嘴船舶、油田钻机、机车、挖掘机等柴油机预燃烧室烧嘴，在800~900℃长时间使用，要求组织性能稳定，抗热循环疲劳性能良好，膨胀系数较低。GH128和RA333高温合金用于12V180Z型柴油机预燃烧室烧嘴，GH128寿命达到4000h，最高达8408h；RA333最高寿命达11600h。另有PZ502合金的性能与RA333合金喷嘴相当，且强度高、切削性能好、成本低，在各种发电机、船舶主机上使用。四高温合金的应用3)热发生器作为排气净化装置，热发生器工作温度达1000℃。随着发动机的起动-停车的间断加热条件，促使氧化膜破坏和剥落。与排气阀相同，尤其使用高铅汽油，由于铅化合物产生加速氧化；另外，因排气中低氧压的缘故，大气中微量的SO2和硫酸盐容易引起硫化。

4)增压器柴油机发展中增压技术，废气增压涡轮，是利用气缸排出的废气带动，以增加进气压力，加大进气量，从而加强燃烧。采用废气涡轮增压，可成倍地提高柴油机功率，大幅度降低单位功率，具有重大的经济效益。我国的K13合金，是一种Fe-Ni-Cr基铸造高温合金，与国外采用Incone1713和X40合金相比，含镍少，不含钴。K13合金大量用于制造涡轮和叶片铸件，是750℃环境理想的增压涡轮材料。K18合金是不含钴的镍基铸造高温合金。合金密度小，具有良好的综合性能，组织稳定性和铸造工艺性能佳。在较宽的温度范围内可用作燃气涡轮工作叶片、导向叶片、整铸涡轮和柴油机增压器。四高温合金的应用(5)核工业1)核包壳燃料元件包壳管壁承受600~800℃高温，且壁又薄，所以材料必须具有高的蠕变强度。在液体金属冷却反应堆中，使用氧化物燃料时，包壳受到的应力约为120~150MPa。材料在上述条件下会出现严重的塑性变形，从而造成燃料元件的提前断裂。在燃料元件使用寿命终期，包壳受到的机械应力是最大的，因而对其机械性能要求也高。燃料元件包壳材料外部受冷却剂的侵蚀，内部受燃料的侵蚀，所以作为燃料元件包壳材料的耐腐蚀率也有高的要求。对铁基和镍基合金来说，还有金属的溶解腐蚀，镍含量高时，腐蚀率显著增高。燃料元件的包壳除受冷却剂的腐蚀以外，与燃料的化学反应、辐照损坏也是可能导致包壳材料的重要问题之一，对快速中子增殖反应堆燃料包壳材料具有重要影响的还有高温脆性。钠冷反应堆燃料包壳材料一般有三大类：不锈钢、镍基合金和难熔金属及其合金。镍基合金有Hastelloy、Incoloy800、Nimonic80A等。四高温合金的应用2)燃料元件定位架它处于高温、高压、高通量辐照等苛刻条件下工作，要求材料有较好的综合性能。GH169A合金冷轧带材具有良好的冷冲压性能和钎焊性能，能满足要求。3)高温气体炉这是将氦气作为冷却介质的反应堆，可获得750~1000℃的高温，作为炼铁和化学工业及其他过程的热源。原子能炼铁，就是要利用这种核热能，造成高温还原性气氛。为安全起见，氦/氦中间需有换热器，这种换热器拟采用镍合金。其目标是能够制造在1000℃不纯氦中，10万h内蠕变断裂强度在10MPa以上，外径425mm，厚5mm、长度在7m以上的耐热钢管。(6)其他领域1)煤的气化、液化煤气化环境中氧的分压低，硫的分压高，结果在金属表面不易形成有效的保护性氧化膜，而是含有大量有腐蚀性的质四高温合金的应用质点。这些物质与气化器内的金属部件接触，在高温下与氧化膜反应使之破坏，这些沉积物还阻碍氧化膜的继续生成。煤汽化中含有H2S，多数高温材料在低温(<850℃)、低硫介质中还能适应，而高温下硫的腐蚀明显加重。在煤气化碳化气氛中，由于氧化膜保护作用差，使合金表面层的碳含量明显增加，从而造成合金塑性降低。在煤汽化中或类似气氛中使用的高温合金有：铁基合金-N155，RA330，RA333，T63WC，310不锈钢，Fe-18Cr-5AI-Mo-Hf，Fe-18Cr-5AI-Y，MA956E(Fe-19Cr-5AI-0.45Y2O3)；镍基合金-IN617，IN657，IN738，IN739，Kimonic80A；钴基合金-Haynes188，Stellte6B，X-40，Co-Cr-W-1。2)冶金工业冶金工业生产过程中的热处理、加热炉、轧钢、炼钢、测量等均离不开高温过程，因此不少冶金设备的接触高温的部件需要高温合金，如传送带、马弗炉和炉子零件、热处理炉的炉底辊、辐射管、高温通风机、压力铸造的压铸模等。四高温合金的应用3)石油化工石油化工管式裂解炉，管内通以裂解原料，管外用液体燃料或气体燃料燃烧所发出的热量来加热管外壁。通过管壁的传热，将热量传递给管内的反应物料。裂解反应温度较高(约800℃)，而管外壁的温度更高，这样才能把热量传导到管内去。裂解炉管内是进行强烈吸热的裂解反应。物料在管中流速大，停留时间短，要在每单位时间、每单位传热面对反应物流供给大量热量，因此必须用高热强度及耐高温1000℃以上的合金。4)搪瓷制品在日用搪瓷制品生产中，烧成炉用的吊架材质好坏，将直接关系到制品质量。吊架材质必须要求抗氧化、不起皮，900~950℃温度下不易变形，易加工成形，架间粘瓷不超过2mm，其中GH30效果较好。搪瓷烧成炉需要辐射管，烧气或油的炉均需在辐射管内燃烧，其热量通过管壁传给烧成炉。该辐射管要求耐高温、抗氧化、耐硫化，并具有一定强度和良好工艺性能，目前使用GH128、GH