超高溫合金.ppt

1、超高溫合金,一、概述 二、研究內(nèi)容 三、制備方法 四、發(fā)展趨勢 五、參考文獻 六、思考題,概述,超高溫合金涵義： 超高溫合金一般是指在1000以上使用具有 高強度、耐腐蝕、耐沖刷、抗氧化、抗蠕變、和密 度適中等性能的金屬材料。,超高溫合金發(fā)展歷程：,20世紀30年代鎳基高溫合金開始發(fā)展起來，從20世紀50年代，高溫合金的發(fā)展就側(cè)重于鎳基高溫合金，我國從20世紀60 年代開始研制鎳基高溫合金，經(jīng)過四十多年的努力，國內(nèi)研制成功的鎳基高溫合金已有70 多種。但是隨著工業(yè)建設(shè)和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對高溫合金提出了更高要求：更高的耐高溫性，目前應用的鎳基單晶高溫合金由于受其自身熔點(1400左右)的限制

2、，連續(xù)使用溫度上限僅為1100。，迫切需要在1093-1370范圍內(nèi)使用的金屬材料1。從而近幾年來引出了一個新的概念：超高溫材料，其中超高溫合金就是主要的研究方向。,通常按生產(chǎn)工藝分為 變形超高溫合金、粉末冶金超高溫合金和鑄造 超高溫合金，而鑄造超高溫合金又經(jīng)歷了定向 凝固超級合金、定向結(jié)晶合金、單晶合金、共 晶合金和彌散強化超級合金等。,超高溫合金種類,為使材料承受較高溫度和具有較高強度，合金中往往加入數(shù)種甚至十幾種合金元素，這些元素包括Ai、Ti、Co、Mo、W、Nb、Ta、Hf、Re、V、Mn、Si、C、B、Zr、稀土等，用于強化基體相和析出相。加入的固溶強化的難熔金屬和鋁、鈦總量越多，

3、使合金變性更加困難。,粉末冶金超高溫合金，由于采用快速凝固霧 化法先制成高溫合金粉末，再制成塊體材料 因此可生產(chǎn)高合金化，成分和組織均勻的新 型高溫合金。但由于渦輪盤之類的大型部 件，需要大型鍛壓設(shè)備，故多采用鑄造超高 溫合金，因為鑄造超高溫合金基本上可不需 要變形加工。,超高溫合金特點,（1）有良好的室溫和高溫力學性能； （2）還有熔點高、密度適中； （3）耐腐蝕、良好的高溫強度； （4）有良好的抗疲勞性； （5）但其高溫抗氧化能力較差2。,研究內(nèi)容,超高溫合金是合金研究的一個重要方面，一般目 前廣泛應用于航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部 件的一種替代材料，具有潛在的應用價值。鑄造超高溫

4、 合金可分為鎳基、Nb-Si硅化物基超高溫合金、Ti-Nb-Si 基超高溫合金、鈦基超高溫合金等等。,Ni基超高溫合金,鑄造鎳基超高溫合金再提高強度的同時塑性下降，蠕變斷裂前延伸率低。這主要是由于蠕變裂紋沿晶界開始，基本是垂直于應力軸方向。定向凝固使合金獲得結(jié)晶方向平與零件的應力軸的柱狀晶，基本消除了垂直于應力軸的橫向晶界，有利于提高蠕變壽命和塑性，改善零件的抗熱沖擊性能。定型鑄造鎳基超高溫合金不僅具有良好的中、高溫蠕變斷裂強度和塑性，而且具有比原合金約高5倍的熱疲勞性能，在先進航空發(fā)動機上獲得廣泛應用，其工作溫度比普通鎳基高溫合金提高了50,隨著高溫合金的不斷發(fā)展，合金的持久性能和抗環(huán)境性能

5、有明顯增強，應有前景更加美好。,應用與航空發(fā)動機核工業(yè)燃氣輪渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤和機匣、燃燒室、加力燃燒時及尾噴口等部件3。,人們對能源、宇航、鋼鐵和化工等領(lǐng)域可在超高溫環(huán)境下長時間使用的機械部件用結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)寄予很大希望。特別從環(huán)境保護和化石能源保護、減少二次CO產(chǎn)生和污染環(huán)境物質(zhì)排放的觀點看，追求火電熱效率的提高、進一步提高燃氣輪機的工作溫度成為迫切的研究課題。但用于燃氣輪機部件的Ni基超合金的耐熱溫度已基本達到極限，因此，研制耐熱性和長期可靠性及持久性超過Ni基超合金的新型耐熱材料很有必要。,Nb-Si基超高溫合金,日本于19962001年進行了高熔點Nb基固溶體合金和復合材料的

6、研究，旨在研制進氣溫度達1500以上，無冷卻使用的燃氣輪機葉片材料，以提高燃氣輪機的熱效率。金屬中Nb以高熔點、密度小、室溫塑性好被作為新的研究對象。由于難熔金屬硅化物，特別是鈮一硅化合物基合金，在航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部件的替代材料具有潛在的應用價值，因此近年來受到廣泛的關(guān)注4。它可作為新一代發(fā)動機葉片的替代材料，使用溫度將達到1250 -1400，比目前最先進的第四代鎳基單晶高溫合金的使用溫度高出200左右2。,眾所周知,作為高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料,除具有 良好的室溫和高溫力學性能以外,還必須具備良好的抗氧化性能。然而,Nb-Si系超高溫結(jié)構(gòu)材料氧化過程中生成的氧化膜不致密,存在

7、嚴重的內(nèi)氧化現(xiàn)象,氧化膜易剝落,抗氧化性能差。對于未來的工程應用,高溫抗氧化性能仍然是Nb-Si系超高溫結(jié)構(gòu)材料走向?qū)嵱没囊淮笳系K。為了使其在高溫條件下應用， 必須改善其高溫抗氧化性能。到目前為止， 人們研究過的能有效提高鈮硅化物基超高溫合金抗氧化性能的 途徑有兩種：,一種是合金化， 另一種是表面涂層技術(shù)。由于可提高抗氧化性能的合金化元素在其含量過高后會降低合金的力學性能， 因此合金化有其局限性。表面涂層技術(shù)被認為是兼顧鈮硅化物基超高溫合金力學性能和高溫抗氧化性能的切實有效途徑， 因而受到越來越多的關(guān)注。,國內(nèi)外已有的研究表明5： 在合金表面制備含有稀土或其氧化物的涂層， 可以改善涂層的致密

8、性及其與基體的結(jié)合力， 顯著降低合金的氧化速率， 提高氧化膜的抗剝落能力， 從而改善合金的抗高溫氧化性能。鈮基合金高溫防護涂層的研究始于2O世紀5O年代，到目前為止開發(fā)出涂層的概率壽命是：在11OO1200下為幾百小時，在15001600V下為幾十分鐘。,從目前的研究來看，鈮基合金高溫防護 涂層主要分為以下5個體系：耐熱合金涂 層、貴金屬涂層、陶瓷涂層、鋁化物涂 層及硅化物涂層1。,應用,該材料還可用于火箭推進器、大推力發(fā) 動機的燃燒室及其防護罩等，在航空航天以 及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部件的替代材料 具有潛在的應用價值，它可作為新一代發(fā)動 機葉片的替代材料，使用溫度將達到1250 1400。

9、,溫合Ti-Nb-Si 基超高金,鈮硅化物基及鈦硅化物基合金以其高熔點、高強度以及適中的密度等特性而有望成為應用于高溫結(jié)構(gòu)部件的材料。然而,Nb-Ti-Si 基合金的抗氧性較差,成為制約其應用的瓶頸。僅通過合金化的方法還不能徹底解決該類合金的抗氧化性問題,因為多元合金化后的Nb-Ti-Si 基超高溫合金在氧化后大都生成非保護性的氧化物如TiO2 , TiNb2O7 和Ti2Nb10O296，制備抗氧化涂層是克服Nb-Ti-Si 基合金抗氧化差的有效辦法。包埋滲法作為一種擴散涂層的制備方法,已被成功應用于鎳基高溫合金7及鈦合金8等材料抗氧化涂層的制備。為Nb-Ti-Si 基合金制備抗氧化涂層還在

10、試驗階段。,制備方法,Nb-Si基合金的制備主要有非自耗電弧熔 煉、感應電渣熔煉(ISM)、定向凝固(DS)、熔 模鑄造及粉末冶金等方法，每一種制備工藝 均產(chǎn)生與其對應的特殊形態(tài)的微觀組織 和性能。,從商業(yè)角度來看，熔模鑄造Nb-Si基合金近凈成形部件具有巨大的潛力，因為這接近于目前的復雜葉片生產(chǎn)實踐。然而，用于Nb-Si基合金葉片的熔模鑄造技術(shù)還沒有得到充分發(fā)展。另外，熔融Nb-Si基合金的活性限制了陶瓷基模殼系統(tǒng)的應用9,由于定向凝固可獲得綜合性能較好的組織，具有近終成形及效率高等特點，是制備Nb-Si基合金材料的首選方法。以前的研究主要是采用水冷銅坩堝的Czochralski法來實現(xiàn)定向

11、凝固，但由于溫度梯度較低，所制備材料的組織粗大，定向效果差。近年來本課題組對該材料的無坩堝電子束區(qū)熔定向凝固進行了研究，但由于熔體的過熱度低(據(jù)估計不會超過100)，定向效果也不是很好。,為了獲得更好的定向組織，一些人自行設(shè)計了超高溫度梯度定向凝固設(shè)備，并擬在該設(shè)備上采用有坩堝的整體定向凝固技術(shù) 以制備超高溫合金的定向凝固樣件，為將來制備也平等具有復雜形狀的部件進行前期準備和工藝探索9。,應用前景,目前Nb-Si基合金的基礎(chǔ)研究工作還應該在強韌和抗氧化綜合性能平衡上獲得突破。由于含有大量金屬間化合物Nb5Si3和Cr2Nb相的Nb-Si基合金對缺陷十分敏感，顯微缺陷對合金材料綜合性能特別是塑韌

12、性的影響在一定程度上已超過了優(yōu)化合金成分與組織的作用。因此Nb-Si基合金的制備加工工藝還應該獲得極大的發(fā)展，以減少微觀組織缺陷并獲得均勻組織。以上是Nb-Si基合金下一步要重點發(fā)展的方向。超高溫合金由于具有很高的抗熱疲勞、機械疲勞、抗氧化及抗蠕變等性能，將越來越多的應用于工業(yè)生產(chǎn)及生活中，特別是航天航海。如下圖：,圖1-1 神舟七號飛船推進器,圖1-2 航空發(fā)動機,發(fā)展趨勢,目前我國的超高溫合金研究水平與國外接近，但 是與發(fā)達國家相比無論在生產(chǎn)規(guī)模上，還是在發(fā)展 速度上仍存在較大差距。發(fā)展趨勢： 1.精簡超高溫合金的牌號，發(fā)展骨干超高溫合金； 2.合金設(shè)計的專家設(shè)計系統(tǒng)，指導新合金設(shè)計； 3

13、.強化低成本超高溫合金及其制備技術(shù)； 4.改善工藝，改善性能，擴大超高溫合金的應用； 5.開發(fā)超高溫合金的先進制備技術(shù)和新產(chǎn)品10,展望,雖然擁有豐富的資源，由于我國航空制造業(yè)不發(fā)達，民用飛機大量進口。美、俄、西歐等工業(yè)大國主要以航空市場為主，他們掌握著先進的尖端技術(shù)，占據(jù)著國際市場。從目前形勢看，超高溫合金發(fā)展有幾個特點值得注意。 超高溫合金企業(yè)競爭與兼并激烈，日趨國際化 隨著東西方貿(mào)易往來增多，東西方市場融合，正在形成統(tǒng)一的世界市場，從而加劇了企業(yè)的競爭。企業(yè)為增強競爭實力，實行強求“強強”聯(lián)合，出現(xiàn)了跨國改組與兼并，通過跨國改組與兼并的種種措施來增強自身的實力。,民航機用量迅速增長，超高

14、溫合金的市場好。 發(fā)展競爭力更強的超高溫合金 發(fā)展方向是高性能化、多功能化、和低成本化。 積極培育新的超高溫合金市場10。,1 姜傳海，周健威，葉長青鈮及鈮合金的氧化行為機械工程材料，2003，27(12)：1 2 趙陸翔，郭喜平，姜嫄嫄.鈮基合金包埋滲法制備抗氧化硅化物涂層及其組織形成中國有色金屬學報-2007年4期 3 鄭子樵.新材料概論.2009.5 4 張小明日本Nb基超合金和復合材料研究新進展.稀有金屬快報-2005 2期 5 齊濤，郭喜平. 鈮硅化物基合金SiY2o3共滲涂層的組織形成中國有色金屬學報-2009年10期,參考文獻,6郭金明,郭喜平,宋曙光. Nb-Ti-Si 基多元

15、合金在1250 下的氧化行為J . 金屬學報- 2008 , 44 (5) : 574 - 578. 7XIANGZD , DATTAPK. Deposition of silicon modified alumin-ide coatings on nickel base superalloys by pack cementationprocessJ . Materials Science and Technology , 2003 , 19 (7) : 935- 942.,8 XIANGZD,ROSESR,BURNELL-GRAYJS，et al . Co-depo-sition of al

16、uminide and silicide coatings on-TiAl by pack cemen-tation processJ . Journal of Materials Science , 2003 , 38 (1) : 19- 28.,9 武興君，郭喜平.Nb基超高溫合金制備及定向凝固用坩堝的選擇，材料導論-2006年5期,10 MITRA R. Microst ructure and mechanical behavior of reactionhot-pressed titanium silicide and titanium silicide-based alloys andcomposites J . Metallurgical and Materials Transactions A ,1998 , 29A(6) : 1629 - 1641.,思考題,1超高溫合金涵義？ 答：超高溫合金一般是指在1000以上