高溫合金材料的應(yīng)用與發(fā)展

1、 高溫合金材料的應(yīng)用與發(fā)展分析李桃山 王保山 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院100631班：10號 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院100631班：20號摘 要： 本文主要介紹高溫合金材料的定義及加工特點，通過了解合金的使用范圍及選擇標(biāo)準(zhǔn)，使更好的發(fā)展運(yùn)用在各個領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。要求使用具有耐更高溫度下的疲勞、蠕變、熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能的高溫材料，以適應(yīng)先進(jìn)設(shè)備（主要是航空運(yùn)用）的設(shè)計要求，因此近半個多世紀(jì)以來人們從未停止過對的各種高溫合金材料研發(fā)。從我國高溫材料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀分析認(rèn)為，我們應(yīng)該發(fā)揚(yáng)民主, 軍民結(jié)合, 發(fā)揚(yáng)全國一盤棋的精神, 形成一個和諧的集體，使我國高溫合金體系建立在一個更

2、堅實的基礎(chǔ)上。關(guān)鍵字：高溫合金材料 合金分類 應(yīng)用 合金發(fā)展前景 選擇標(biāo)準(zhǔn)前 言： 高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。類似的高溫合金材料在未來很長的一段時間應(yīng)該是王牌型材料，在科技日新月異的今天，對高溫合金材料的研究與來發(fā)具有很高的實際意義與戰(zhàn)略意義。未來的航空航天飛行器及其推力系統(tǒng)，要求發(fā)展比現(xiàn)有的Ti64和Ti6242合金的強(qiáng)度、工作溫度和彈性模量更高，密度更小，價格更低的高溫合金材料，因此，高溫合金材料的是航空材料的發(fā)展主流。一、高溫合金材料的定義及加工特點高溫合金定義：高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金

3、屬材料。并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。高溫合金加工特點對于鎳合金、鈦合金以及鈷合金等高溫合金來說，耐高溫的特性直接提高了加工難度。在加工時的重切削力和產(chǎn)生的高溫共同作用下，使刀具產(chǎn)生碎片或變形，進(jìn)而導(dǎo)致刀具斷裂。此外，大多數(shù)此類合金都會迅速產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。工件在加工時產(chǎn)生的硬化表面會導(dǎo)致刀具切削刃在切深處產(chǎn)生缺口，并使工件產(chǎn)生不良應(yīng)力，破壞加工零件的幾何精度。加工鈦合金同樣面臨這些問題。盡管加工鈦合金所需的切削力只比鋼稍微高一點，但由于鈦合金的特殊性能，使加工它比加工

4、同等硬度的鋼要困難得多。主要有以下幾點：1）鈦合金和其它高溫合金一樣，也容易產(chǎn)生加工硬化；2）鈦基合金導(dǎo)熱能力很低，使加工時產(chǎn)生的所有熱量幾乎都集中在切削刃上；3）鈦合金的彈性模量很小，尤其是在重切削力時，使工件容易受刀具偏移和震動的影響；4）最嚴(yán)重的是鈦合金比其它高溫合金化學(xué)性能都要活潑，這一點使鈦合金工件在加工時很容易與刀具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致工件產(chǎn)生縮孔。 因為以上原因，加工耐高溫合金需要特殊的加工技術(shù)，這里就不詳細(xì)列出。二、合金使用范圍及選擇標(biāo)準(zhǔn) 在540 815高強(qiáng)度應(yīng)用場合主要采用析出強(qiáng)化合金。這些合金體系均包含通過鎳、鋁、鈦或鈮的析出物(Ni3 Al、Ni3 Ti、Ni3 Nb

5、)以及固溶強(qiáng)化元素(如Mo)加以強(qiáng)化的奧氏體基體。 當(dāng)析出物過剩并隨溫度升高開始溶解時,說明這些合金已達(dá)到溫度極限。但是,通過增加析出成形元素(Ti、Al、Nb) ,可以提高其耐熱性。此外,還必須持續(xù)增加鎳含量,以形成金屬間析出物,并穩(wěn)定合金含量更高的奧氏體結(jié)構(gòu)。還可以添加鈷元素,降低析出物的溶解傾向。添加鎢和鉬等難熔元素,可提高高溫硬度。所有這些添加元素可改善耐熱性能,但亦使合金成本大幅提高。 選擇合金取決于力學(xué)性能要求(即強(qiáng)度、蠕變、疲勞)以及最高使用溫度。典型高溫合金的成分、力學(xué)性能和使用溫度上限分別見表1、表2。 A - 286合金屬于奧氏體析出硬化型高溫合金,在最高620下可長期工作

6、并具有中等強(qiáng)度。A - 286的名義鎳含量為25% ,成本較低。 按耐熱性能的升序排列,其他常用合金有901、718、X750、751、Waspaloy和Pyromet 41與720合金。表1所示為本系列材料逐漸增加的合金含量。 Pyromet 718合金也許是最通用的高溫合金,在675具有高強(qiáng)度和抗蠕變性,且這兩種特性在 最高760下,均達(dá)合理水平,其抗疲勞特性極其優(yōu)越。 Waspaloy合金主要用于溫度超出675時和最高溫度在760時需達(dá)至超蠕變的情況。由于它的鎳和鈷含量更高,故其成本較高。Waspaloy是渦輪部件、鍛模緊固件和鋼模鍛造等的理想之選。 高溫合金的發(fā)展已很成熟,根據(jù)具體需求

7、發(fā)展現(xiàn)有合金,比開發(fā)新型合金更為經(jīng)濟(jì)。合金生產(chǎn)工藝及控制技術(shù)日新月異,為合金性能的發(fā)展開辟了新的天地。三、高溫合金分類及其應(yīng)用 1、高溫合金又叫熱強(qiáng)合金、超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鉻基。 鐵基高溫合金此類合金又分為固溶強(qiáng)化合金和時效硬化合金。時效硬化合金包括PyrometA - 286、901、V - 57、CTX - 1、CTX - 909合金和Thermo - Span合金。這些合金均包含鈮及(或)鈦和鋁。經(jīng)固溶時效硬化處理后,在595705下具備良好的強(qiáng)度與硬度。 鎳基高溫合金此類合金又分為非時效硬化合金和時效硬化合金。含鉻量約20%,而鎳含量為50% 80%。典型

8、的時效硬化合金有:Waspaloy、Pyromet 720、和Pyromet 41、80A、X - 750和751合金,這些合金的適用溫度最高為870。固溶強(qiáng)化合金( Pyromet 102、680和625合金) 最高工作溫度達(dá)1 205。 鈷基高溫合金此類合金的代表是L - 605。除含有鎳、鐵、鉻和鎢外,其鈷含量達(dá)50%;它屬展延性合金,工作溫度最高約1 040;此類合金還包括MP159和188合金。此類合金尤其適用于需耐硫腐蝕的環(huán)境。 2、按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金與鑄造高溫合金。按強(qiáng)化機(jī)理可分為碳化物強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。（1）鑄造高溫合金 鑄造高溫合金及制品主要以航空

9、、航天發(fā)動機(jī)，地面燃機(jī)等動力機(jī)械為服務(wù)對象，其發(fā)展主要以動力機(jī)械需求為牽引。鑄造高溫合金及制品對原材料要求高，制備工藝復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量控制嚴(yán)格，行業(yè)準(zhǔn)入門檻高，國內(nèi)外具有研制和生產(chǎn)鑄造高溫合金能力的企業(yè)數(shù)量有限。 近年來，國內(nèi)外鑄造高溫合金發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：1）在等軸晶方面不再投入大量的人力和物力進(jìn)行新合金的研制，而是通過工藝水平的提高，挖掘合金的潛能，提高等軸晶鑄件的使用性能，因而高性能等軸晶的發(fā)展是一個重要的方向。 2）目前各種先進(jìn)鑄件制造技術(shù)和設(shè)備在不斷開發(fā)和形成，如細(xì)晶工藝、熱控凝固、真空離心鑄造技術(shù)等，許多大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫合金鑄件制造成功，并付諸應(yīng)用，特別是越來越呈現(xiàn)出材料和工藝互相

10、影響和促進(jìn)的趨勢。發(fā)達(dá)國家在鑄造高溫合金材料上將集中于少數(shù)極端工作條件的關(guān)鍵需求上，如適用于超高溫、大應(yīng)力、富氧或腐蝕環(huán)境等。同時，繼續(xù)開發(fā)新技術(shù)，并提高現(xiàn)有技術(shù)的控制水平，從而提高各種高溫合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性。3）定向、單晶高溫合金研究方興未艾，新型合金不斷涌現(xiàn)，定向凝固合金已出現(xiàn)三代，單晶合金發(fā)展到5代，材料本體承溫能力達(dá)到1200，基本達(dá)到此類材料的極限。（2）變形高溫合金 變形高溫合金在國內(nèi)外發(fā)展基本比較平穩(wěn)，美國變形高溫合金年產(chǎn)量約4萬噸左右，我國約5000噸左右。變形高溫合金在航空發(fā)動機(jī)中至今仍然是主要用材，隨著其他產(chǎn)品的日益成熟，變形高溫合金的用量可能會有所減少，但這

11、個過程比較漫長。而且，通過改進(jìn)現(xiàn)有變形高溫合金的綜合性能、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低制造成本，變形高溫合金至少在數(shù)十年內(nèi)仍是航空發(fā)動機(jī)的主要用材。目前，國內(nèi)的變形高溫合金使用可分為兩大類： 一是軍用，主要用戶為航空、航天、艦用等領(lǐng)域，軍品的特點是高牌號、高使用性能、高精度、種類規(guī)格繁多。 二是民用，主要在石油化工、能源動力、冶金與環(huán)保等諸多民用工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其是近幾年來，隨著產(chǎn)品的升級換代，高溫服役的部件使用溫度提高，許多原先使用耐熱鋼、不銹鋼部件都逐漸使用高溫合金和耐蝕合金取代，對高溫合金及耐蝕合金的需求量非常大。民用變形高溫合金產(chǎn)品種類主要有不同規(guī)格的鍛棒、軋棒、板材、帶材、絲材、管材等。（

12、3） 新型高溫合金 新型高溫合金包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域。 1）粉末高溫合金處于第三階段，同時具有高強(qiáng)度、高使用溫度及高抗裂紋擴(kuò)展能力，粉末高溫合金材料及制件已經(jīng)在國外獲得了廣泛的應(yīng)用。 2）鈦鋁系金屬間化合物的各個合金均在我國航空、航天和兵器領(lǐng)域開始應(yīng)用，應(yīng)用進(jìn)展明顯快于國外。 3）氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）高溫合金主要用于航空航天等軍工領(lǐng)域。 4）耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，目前在化纖等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 5）粉末冶金及納米材料固體自潤滑軸承、新型耐磨高韌性硬質(zhì)合金、新型高溫固

13、體自潤滑密封件等已經(jīng)在相關(guān)行業(yè)逐步得到推廣。四、我國高溫合金的發(fā)展與展望自1956 年第一爐高溫合金GH3030試煉成功,迄今為止,我國高溫合金的研究生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷程.目前，已有GH系變形高溫合金和K系鑄造高溫合金?？梢哉f，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主開發(fā)和研究的能力, 進(jìn)行應(yīng)用研究和對材料進(jìn)行評估的能力以及進(jìn)行故障分析的能力,可以解決航空、航天及其它工業(yè)部門生產(chǎn)和發(fā)展中所遇到的各種高溫合金材料問題。 50 多年來由于需求的推動, 全國科技人員和企業(yè)共同努力, 我國逐步形成了獨(dú)有的高溫合金體系, 其特點是牌號多, 性能相近的合金不少, 因而本來生產(chǎn)量很小, 工藝和

14、性能難以穩(wěn)定的問題更加突出. 造成這種局面的主要原因是每引進(jìn)一種發(fā)動機(jī), 就要試制一批合金, 再加我國自行研制的合金品種的不斷增加, 因而造成我國高溫合金品種的多樣化，但是最根本的原因是我們對每個合金的深入研究不夠, 對每個合金的特點不能做出有說服力的判斷, 再加上合金研制與設(shè)計人員溝通不夠, 以及國家在這方面沒有明確的政策, 造成合金的品種增加多, 淘汰少, 從而形成當(dāng)前如此局面, 這是留給高溫合金工作者和發(fā)動機(jī)設(shè)計人員的一個復(fù)雜而艱巨的任務(wù). 應(yīng)該指出, 要想合理地解決這一問題, 必須發(fā)揚(yáng)民主, 軍民結(jié)合, 發(fā)揚(yáng)全國一盤棋的精神, 形成一個和諧的集體，使我國高溫合金體系建立在一個更堅實的基

15、礎(chǔ)上。五、結(jié)束語： 高溫合金的研制與應(yīng)用一直受到各國研究者的高度重視和政府的大力支持，在中國西北地區(qū)亦是如此。但國內(nèi)研制高溫合金與國外有較大差距這種差距不是在研究水平上，而是在工業(yè)化生產(chǎn)水平和應(yīng)用尤其是應(yīng)用上。 高溫合金發(fā)展的趨勢是進(jìn)一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進(jìn)入實用階段，定向結(jié)晶葉片的綜合性能將得到改進(jìn)。 此外，有可能采用激冷態(tài)合金粉末制造多層擴(kuò)散連接的空心葉片，從而適應(yīng)提高燃?xì)鉁囟鹊男枰＞蛯?dǎo)向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強(qiáng)化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護(hù)涂層材料和工藝也將獲得進(jìn)一步發(fā)展。 但是，由于高溫合金的難變形特性以及我國尚無大型擠壓機(jī)和先進(jìn)的大型熱模鍛、等溫鍛造等設(shè)備, 使我國高溫合金材料的熱加工面臨很大的困難。雖然冶金學(xué)家致力于合金化提高合金的耐高溫性能，但收效甚微。 因此，進(jìn)一步提高合金性能