第八章有色金屬及其合金鎳基高溫合金

第八章有色金屬及其合金鎳基高溫合金第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

8.5高溫合金第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、概述國(guó)外高溫合金發(fā)展?fàn)顩r1929年：英美Merica、Bedford和Pilling將少量的Ti和Al加入到80Ni-20Cr電工合金，蠕變顯著強(qiáng)化。1937年：德Hansvonohain渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)Heinkel問(wèn)世。1939年：英研制出Whittle渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1939年：英Mond鎳公司(國(guó)際鎳公司)研制出鎳基合金Nimonic75，準(zhǔn)備用作Whittle發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，后為Nimonic80取代，其含鋁、鈦，蠕變性能比Nimonic75高50℃。1942年：Nimonic80用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，成為最早的Ni3(A1，Ti)強(qiáng)化的渦輪葉片材料。此后，該公司在合金中加入硼、鋯、鈷、鉬等合金元素，相繼開(kāi)發(fā)了Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1932年：美國(guó)Halliwell開(kāi)發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金K42B，用以制造活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓渦輪。1941年：美國(guó)開(kāi)始發(fā)展航空燃?xì)鉁u輪。1942年：HastelloyB鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其后的I-40噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1944年：西屋公司的YanKee19A發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈷基合金HS23精密鑄造葉片。1950年美國(guó)出兵朝鮮，由于鈷的資源短缺，鎳基合金得到發(fā)展并被廣泛用作渦輪葉片。美國(guó)的PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開(kāi)發(fā)出了Waspalloy、M-252和Udmit500等合金。并在這些合金發(fā)展基礎(chǔ)上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號(hào)系列。第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一制造工藝對(duì)高溫合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。二十世紀(jì)40年代～50年代中期：通過(guò)合金成分的調(diào)整來(lái)提高合金的性能。二十世紀(jì)50年代：出現(xiàn)了真空熔煉技術(shù)，去除合金中有害雜質(zhì)和氣體，精確控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的鑄造高溫合金。二十世紀(jì)60年代：定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷過(guò)濾、等溫鍛造等新型工藝的研究開(kāi)發(fā)。其中定向凝固工藝所起的作用尤為重要，采用定向凝固工藝制出的單晶合金，其使用溫度接近合金熔點(diǎn)的90％，至今，各國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)不采用單晶高溫合金渦輪葉片。第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一我國(guó)高溫合金發(fā)展歷程第一階段,從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段.

在蘇聯(lián)專(zhuān)家的指導(dǎo)下煉出的第一爐高溫合金GH3030,拉開(kāi)了我國(guó)研制和生產(chǎn)的序幕。自主開(kāi)發(fā)了一批新合金,特別針對(duì)我國(guó)缺Ni少Cr的資源情況,研制出一批鐵鎳基高溫合金。第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二階段,從20世紀(jì)70年代中至90年代中期,是我國(guó)高溫合金的提高階段.

經(jīng)過(guò)這一階段的工作,不但研制成功一系列新的合金,包括高性能變形合金、鑄造合金、定向凝固及單晶合金,而且更重要的是使我國(guó)高溫合金的生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面上了一個(gè)新臺(tái)階,基本達(dá)到或接近西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。第三階段,從20世紀(jì)90年代中至今,是我國(guó)高溫合金的新發(fā)展階段.

本階段的特點(diǎn)是應(yīng)用和開(kāi)發(fā)出一批新工藝,研制和生產(chǎn)了一系列高性能高檔次的新合金.第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.高溫合金的定義、分類(lèi)和牌號(hào)

1.定義：高溫合金是指能在600~1200℃高溫下仍能保持按設(shè)計(jì)要求正常工作的金屬材料。隨著人類(lèi)飛向太空，核動(dòng)力、光子火箭的發(fā)展，對(duì)高溫的要求進(jìn)一步提高，將超出金屬高溫合金的極限，需要發(fā)展其他類(lèi)型的高溫材料。圖1高溫合金的發(fā)展過(guò)程8第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.高溫合金的特性和分類(lèi)耐高溫金屬材料耐熱鋼低合金耐熱鋼鐵素體系耐熱鋼奧氏體系耐熱鋼500℃↓700℃高溫合金鐵基（鐵鎳基）高溫合金鈷基高溫合金鎳基高溫合金彌散強(qiáng)化合金狹義高溫合金700℃

↓1200℃定向凝固高溫合金鉬基、鉻基、鎢基高溫合金表1耐熱合金和高溫合金的分類(lèi)

在高溫下合金能具有較高的強(qiáng)度，良好的疲勞性能、斷裂韌度，以及強(qiáng)的抗氧化和抗熱腐蝕性能，并保持良好的組織穩(wěn)定性和可靠的使用性能等綜合性能。9第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(1)鐵基（鐵鎳基）高溫合金含鎳量達(dá)25％～60％，又稱(chēng)為鐵鎳基合金。鐵基高溫合金由奧氏體不銹鋼發(fā)展而來(lái)，在18-8型不銹鋼中加入鉬、鈮、鈦等合金元素，使其在500~700℃溫度下的持久強(qiáng)度提高。優(yōu)點(diǎn)：成本低，可用于制作一些使用溫度較低的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)上的渦輪盤(pán)、導(dǎo)向葉片，以及一些承力件、緊固件等。缺點(diǎn)：鐵基高溫合金由于沉淀硬化型的組織不穩(wěn)定，抗氧化性差，高溫強(qiáng)度不夠，僅可使用于800℃，按合金基體元素種類(lèi)分：10第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)鎳基高溫合金以鎳為基體，W

Ni>50%，可在700~1000℃溫度范圍內(nèi)使用。優(yōu)點(diǎn)：鎳基高溫合金可溶解較多的元素，具有較好的組織穩(wěn)定性，高溫強(qiáng)度較高，比鐵基高溫合金有更好的抗氧化性和抗腐蝕性。第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)鈷基高溫合金wCo在40％~60％的奧氏體高溫合金，工作溫度可達(dá)730~1100℃。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)溫度高于980℃時(shí)，其強(qiáng)度很高，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性都很佳，適合于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)向葉片以及柴油機(jī)的噴嘴等。缺點(diǎn)：一般鈷基高溫合金含WNi=10%~22%和wCr=20%~30%，以及鎢、鉬、鉭、鈮等固溶強(qiáng)化和碳化物形成元素，其含碳量較高，是以碳化物為主要強(qiáng)化相的高溫合金，缺少共格類(lèi)的強(qiáng)化相，中溫強(qiáng)度不如鎳基高溫合金。鈷是重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，大多數(shù)國(guó)家缺乏，因此發(fā)展受到嚴(yán)重限制。12第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一按合金強(qiáng)化類(lèi)型分：固溶強(qiáng)化型合金時(shí)效沉淀強(qiáng)化型合金按合金材料成形方式分：變形高溫合金：餅、棒、板、環(huán)形件、管、帶和絲鑄造高溫合金：普通精密鑄造、定向凝固和單晶合金粉末冶金高溫合金：普通和氧化物彌散強(qiáng)化合金按使用特性：高強(qiáng)度合金、高屈服強(qiáng)度合金、抗松弛合金、低膨膨脹合金、抗熱腐蝕合金等。

第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一我國(guó)變形高溫合金的編號(hào)為GH+四位數(shù)字，如GH4037。第一位數(shù)字表示分類(lèi)號(hào)，即：

1—表示固溶強(qiáng)化型鐵基合金；

2—表示時(shí)效硬化型鐵基合金；

3—表示固溶強(qiáng)化型鎳基合金；

4—表示時(shí)效硬化型鎳基合金；

5—表示固溶強(qiáng)化型鈷基合金；

6—表示時(shí)效硬化型鈷基合金。第二、三、四位數(shù)字表示合金的編號(hào)。第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鑄造高溫合金編號(hào)為K+三位數(shù)字，如K403。第一位數(shù)字表示分類(lèi)號(hào)，即：

2—表示時(shí)效硬化型鐵基合金；

4—表示時(shí)效硬化型鎳基合金；

6—表示時(shí)效硬化型鈷基合金。第二、三位數(shù)字表示合金的編號(hào)。第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高溫合金汽車(chē)增壓器噴嘴環(huán)葉片燃?xì)廨啓C(jī)渦輪零件第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、高溫合金的性能特點(diǎn)1、高的高溫強(qiáng)度材料強(qiáng)度比較第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

為了保證高溫合金具有高的高溫強(qiáng)度，采取了三個(gè)基本強(qiáng)化手段—固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）固溶強(qiáng)化高溫合金中的主要固溶強(qiáng)化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。其主要作用是：a.產(chǎn)生晶格畸變b.降低堆垛層錯(cuò)能，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難c.降低擴(kuò)散能力。第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）第二相強(qiáng)化除少量合金用碳化物強(qiáng)化外，高溫合金的主要強(qiáng)化相是’[Ni3(AlTi)]，某些高溫合金用’’[Ni3(NbTa)]強(qiáng)化，主要強(qiáng)化元素是Al、Ti、Nb、Ta。析出第二相的強(qiáng)化效果與第二相的本質(zhì)(種類(lèi)、晶體結(jié)構(gòu)、成分及其與基體的配合程度)、大小、數(shù)量和穩(wěn)定性密切相關(guān)。獲得方法：時(shí)效析出彌散相、加入難熔彌散相第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）晶界強(qiáng)化高溫下，晶界參與變形，因而是弱化部位。合金化：主要晶界強(qiáng)化元素有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg等，它們的作用主要是降低晶界能量和凈化晶界。高溫下，拉應(yīng)力使金屬中垂直晶界的擴(kuò)散加速第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、鎳基變形高溫合金

以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變形高溫合金以漢語(yǔ)拼音字母“GH”

加序號(hào)表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。按強(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金和強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金3類(lèi)。第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一用途：鎳基變形高溫合金廣泛地用來(lái)制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤(pán)和燃燒室等。第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高溫合金（GH132、GH145、GH169）GH3039等高溫合金系列

第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一合金元素的作用：鉻在鎳基變形高溫合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蝕能力。20世紀(jì)40～50年代發(fā)展的鎳基變形高溫合金中鉻含量高達(dá)18%～20%，在60年代，為了提高高溫強(qiáng)度，將鉻含量降低到8%～12%。過(guò)度降鉻有損抗氧化、耐蝕能力。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時(shí)效強(qiáng)化元素。強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金中則可以加入多量的鋁、鈦、鈮元素，但其總量不能超過(guò)7.5%。也加入硼、鈰、鎂等晶界強(qiáng)化元素。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一組織特點(diǎn)：主要的強(qiáng)化相是γ′(Ni3Al)相，含量達(dá)20%～55%左右。另一類(lèi)強(qiáng)化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于γ′相，特別顯著地提高屈服強(qiáng)度，是渦輪盤(pán)材料中有名的強(qiáng)化相。加工方法：變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，特別是含γ′相很高的強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，往往需采取一些特殊的加工工藝，如鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制等新工藝。也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來(lái)提高塑性。第27頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、

鎳基鑄造高溫合金

以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”加序號(hào)表示，如K1、K2等。隨著使用溫度和強(qiáng)度的提高，高溫合金的合金化程度越來(lái)越高，熱加工成形越來(lái)越困難，必須采用鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)。這樣，鎳基變形高溫合金就轉(zhuǎn)化為鎳基鑄造高溫合金。第28頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日