第三章 高溫金屬結(jié)構(gòu)材料.ppt

1、第三章 高溫金屬結(jié)構(gòu)材料,3.1引言,航空材料特點(diǎn)： 可靠性 比強(qiáng)度和比剛度高 耐高溫 抗疲勞 耐腐蝕 長壽命 低成本,3.2 航空航天高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點(diǎn)及對(duì)材料的要求,3.2.1高溫結(jié)構(gòu)部件的使用特點(diǎn),美國國防部要求新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)除保證超音速巡航和超低空突防等能力外，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)：,F119就是在這種背景條件下研制成功的第一臺(tái)全新設(shè)計(jì)的西方第四代航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片材料性能：,高的抗氧化能力（即高的熱穩(wěn)定性） 足夠的熱強(qiáng)性（即能在更高的溫度下具有抗蠕變和斷裂的能力） 滿意的塑性和韌性； 更高的熱疲勞性（即對(duì)能引起熱應(yīng)力的熱交換的敏感性要低） 足夠高的低循環(huán)疲勞強(qiáng)度

2、 良好的耐蝕能力（保持葉片的空氣動(dòng)力性能） 高的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù) 良好的工藝性能（即良好的焊接性能，鍛造性能及鑄造性能等）,三高：高推重比，高壓比，高渦輪前溫度,60年代末，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)經(jīng)歷了由強(qiáng)度估算到損傷容限設(shè)計(jì)的發(fā)展階段。,3.2 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)原則,發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件： 壓氣機(jī)、機(jī)匣、渦輪、噴嘴、燃燒室,高溫及應(yīng)力作用下，材料的組織結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，如高溫合金中發(fā)生的顯微結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，包括：,金屬間相的析出 相的分解 相的聚集和粗化 相的溶入和再析出 有序無序轉(zhuǎn)變 材料氧化 應(yīng)力腐蝕裂紋,發(fā)動(dòng)機(jī)材料服役環(huán)境： 高溫 高載荷 高氧化腐蝕 高性能重量比 高可靠性 高壽命

3、,選擇材料的出發(fā)點(diǎn)：,3.3 高溫鈦合金,3.3.1高溫鈦合金的應(yīng)用概況 近鈦合金 鈦合金 近鈦合金,3.3.2高溫鈦合金合金化歷程,英美 1954年 美國 Ti-6Al-4V 350450 60年代 Ti-6246 Ti-6242 450500 70年代 Ti-6242S 英國 IMI679和IMI685 500 7080年代期間 IMI829、IMI834和Ti-1100 近600 俄羅斯 早期 BT3-1 400500 1958年 BT8、BT9 450500 后來 BT18T、 BT19Y、BT36 600,3.3.3新型高溫鈦合金的發(fā)展思路,提高鈦合金耐熱性的兩個(gè)障礙： 一、蠕變 二

4、、熱穩(wěn)定性,什么是金屬的蠕變?,金屬材料長期在不變的溫度和不變的應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。 產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力，甚至可以小于材料的彈性極限。 由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進(jìn)入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會(huì)使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。,熱穩(wěn)定性問題,所謂熱穩(wěn)定性問題是指合金在高溫下長期熱暴露后因內(nèi)部析出脆化相和表面被氧化而變脆。,影響熱穩(wěn)定性因素：,首先，追求強(qiáng)度而采取的高合金化，促使生成非平衡亞穩(wěn)組織，合金長時(shí)間工作后脆性相析出，導(dǎo)致不穩(wěn)定； 高溫下氧的滲入，在合金表面形成一個(gè)富氧層，導(dǎo)致了合金表面的不穩(wěn)定。,Si提高高

5、溫抗蠕變性 稀土強(qiáng)化基體；細(xì)化晶粒，提高抗疲勞性，改善熱穩(wěn)定性。 Gd2強(qiáng)度、塑性和蠕變性能的最佳配合 Y改善熱穩(wěn)定性和抗蠕變性能。,新的合金元素應(yīng)具備這樣的條件：,在 中應(yīng)該具有較大的溶解度，并有較好的強(qiáng)化作用，但形成 相的傾向要比Al、Sn小得多，盡可能避免帶來組織不穩(wěn)定。 目前，探索到的新合金有Ga、Zn、Pb、Sb、Bi等。,抗氧化性涂層,滲鋁涂層 Pt、Au涂層,3.3.4阻燃鈦合金,鈦合金的自燃特性 美國ALLOYC(Ti-35V-15Cr) 俄羅斯 BTT1和BTT3。 我國，Ti40，Ti4,阻燃合金元素,Cr 鉻、釩、鉬絕熱燃燒溫度低于純鈦，可抑制燃燒蔓延。,3.3.5鑄造熱

6、強(qiáng)鈦合金,鑄造鈦合金 Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 400 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 500,三種型殼系統(tǒng),純石墨型殼系統(tǒng)：導(dǎo)熱率高，易產(chǎn)生流痕和澆不足缺陷。 鎢面層型殼系統(tǒng)：原材料昂貴、來源困難、生產(chǎn)周期長。 氧化物陶瓷型殼系統(tǒng)：原材料來源豐富，能夠澆注形狀復(fù)雜、薄壁鑄件。,鑄造鈦合金,Ti153合金：時(shí)效效果好，拉伸強(qiáng)度高，有與Ti6Al4V相同的斷裂韌性和更好的疲勞性能。,3.4鎳基高溫合金,3.4.1高溫合金 高溫合金的基本要求： 1、具有較高的熱穩(wěn)定性，即在高溫下具有抗腐蝕能力 2、具有高的熱強(qiáng)度。即在高溫下具有高的抵抗塑性變形和斷裂的能力。

7、3、具有良好的工藝性能。即在冶煉、鑄造、熱壓、焊接和切削加工等方面，要有滿意的工藝性。,熱強(qiáng)度及其指標(biāo),1、蠕變強(qiáng)度 2、持久強(qiáng)度 3、高溫短時(shí)強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度,提高熱強(qiáng)性的途徑,從熱穩(wěn)定性方面來說，主要是加鉻提高抗蝕性。 從熱強(qiáng)度方面來說： 1、用熔點(diǎn)較高的金屬作為高溫合金的基體。 2、對(duì)基體金屬進(jìn)行合金化：強(qiáng)化基體，提高再結(jié)晶溫度；加入合金元素強(qiáng)化晶界。 3、利用鑄造組織。 4、熱處理。,3.4.2鎳基高溫合金和合金化原則, 相的強(qiáng)化作用,改善晶界偏析的兩種途徑:,第一，50年代后期,將大氣熔煉改成真空熔煉，減低損害合金性能的化學(xué)偏析、脆性金屬間化合物或低熔點(diǎn)共晶的數(shù)量。 其次，發(fā)展定向

8、凝固技術(shù)以形成柱晶的高溫合金而消除弱的橫向晶界。隨后發(fā)展了單晶技術(shù)。,3.4.2 鑄造高溫合金,產(chǎn)生背景： 20世紀(jì)60年代，變形高溫合金中鋁、鈦、鉻、鉬、鎢的含量不斷提高，塑性變形阻力增大，難以進(jìn)行鍛造、軋制等熱加工，或者在加工過程中出現(xiàn)熱裂紋和崩裂。 鑄造高溫合金可以熔人更多的固溶強(qiáng)化元素和第二相強(qiáng)化元素，使工作溫度達(dá)到1000左右，超過變形高溫合金50100。 鑄造高溫合金通過精密鑄造工藝較容易制成空心或多孔型葉片，通過對(duì)流和氣膜冷卻，進(jìn)一步提高了材料的工作溫度。,等軸晶 定向柱晶 單晶,1、普通鑄造,形成等軸晶，晶界多，結(jié)合強(qiáng)度差 采用細(xì)晶鑄造改善晶界性能： 機(jī)械振動(dòng)法 化學(xué)法,2、定

9、向鑄造和單晶鑄造,定向鑄造形成并列的柱晶，消除橫向晶界。針對(duì)渦輪葉片。 定向鑄造特點(diǎn)：控制鑄型的散熱方向和冷卻梯度，使熔融金屬由葉片的一端向另一端逐漸凝固。 使工作溫度提高約50，疲勞壽命提高10倍以上。,單晶鑄造,消除晶界 控制熔融金屬在鑄型內(nèi)的散熱條件，只允許一個(gè)優(yōu)選的柱晶長大。,定向及單晶技術(shù)的簡單發(fā)展歷程,20世紀(jì)60年代，美國惠普公司研制出高溫合金定向凝固工藝，標(biāo)志著葉片合金的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。 70年代，美國已將定向凝固渦輪葉片、導(dǎo)向葉片投入航線使用。 80年代以來，單晶葉片的發(fā)展更為迅速。,定向凝固和單晶渦輪零件的優(yōu)越性：,優(yōu)越的高溫蠕變強(qiáng)度； 抗熱疲勞性能； 較長的蠕變壽命；

10、 優(yōu)異的中溫塑性； 好的薄壁性能。,單晶高溫合金特征（與定向相比）： 一是無晶界，因而不需要加入晶界強(qiáng)化元素。 二是Mo、Ti、W、Cr、Co等難熔元素含量增加，因而高溫性能提高。,國外單晶合金的發(fā)展：,起步：1975年，Jackson研究MM200合金，確定合金化的基本思路是提高合金初熔溫度和增加合金中相的體積百分?jǐn)?shù)。 第一代：PWA1480，去除了晶界強(qiáng)化元素，增加了大量的高熔點(diǎn)元素Ta等，因而提高了合金的初熔溫度和蠕變強(qiáng)度。 之后，美國Canon等公司及英國羅.羅公司，CMSX2、ReneN4、SR99，1040,第二代：PWA1484，加入了3左右的錸，進(jìn)行基體固溶強(qiáng)化，阻止粗化。10

11、70 。還有PWA1487、CMSX4、ReneN5。 第三代：ReneN6和CMSX10為代表，1100 。 成分特點(diǎn)： 一是錸含量提高到6，抑制了強(qiáng)化相的粗化，起到強(qiáng)化相的作用； 二是難熔合金元素總量高達(dá)20以上，進(jìn)一步提高高溫蠕變強(qiáng)度。,國內(nèi)單晶高溫合金的發(fā)展,DZ4我國第一個(gè)用于現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)投入航線使用的定向單晶高溫合金。 DD3我國第一個(gè)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶合金。 IC6我國第一個(gè)進(jìn)入工程化應(yīng)用階段的金屬間化合物基定向凝固高溫合金 DZ38G和DD8也是我國研制的定向合金和單晶合金，抗腐蝕性好。,定向共晶自生技術(shù),定向共晶高溫合金：定向凝固條件下，合金與纖維或?qū)悠瑺顝?qiáng)化相從合金熔體中同

12、時(shí)生長并在凝固后保持規(guī)則排列的合金。又稱“原生復(fù)合材料”。 基體相：鎳基或鈷基合金 強(qiáng)化相：TaC、NbC、Cr3C2等碳化物纖維，Mo纖維及Ni3Nb層片。 使用溫度：高出高溫合金10110。,合金超純化,采用先進(jìn)熔煉工藝。高溫合金主要采用真空感應(yīng)、電渣、電弧重熔的3次熔煉工藝；鈦合金主要采用電子束和等離子束冷膛熔煉，然后采用真空電弧重熔。,3.4.3 粉末冶金高溫合金,粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)： 可獲得近終形零部件 容許提高合金元素的含量，導(dǎo)致較高的強(qiáng)度 可使合金具有均勻的顯微組織和化學(xué)成分，避免宏觀偏析及錠、坯開裂的危險(xiǎn)。 需要注意的問題： 粉末的潔凈度 控制粒度分布范圍 采用新的成型技術(shù),PM

13、HIP工藝： 優(yōu)點(diǎn)：可獲得近終形制品，高強(qiáng)度和長蠕變壽命。 確定：低周疲勞性差。 取代工藝：粉末加熱擠壓和等溫鍛。 產(chǎn)品：Rene88DT，U720,美國的粉冶高溫合金,Pratt&Whitney公司： 1972年，IN100合金 1976年，Astroloy合金 80年代初，MERL76合金渦輪盤 GE公司： 1972年，Rene95合金盤件 1978年，F(xiàn)404發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、渦輪盤和渦輪軸。 19831988年，Rene88DT合金。,俄羅斯的粉冶合金,741 962 975,雙性能粉末盤,輪緣部分為粗晶，有利于提高抗蠕變性能 輪心為細(xì)晶，有利于提高強(qiáng)度及疲勞性能,制粉工藝：氬氣霧化法

14、和旋轉(zhuǎn)電極法。,我國的粉冶合金及其工藝研究,FGH100（In100） FGH95（Rene95） 1984年，模鍛出420mm的全尺寸渦輪盤。 成型方法：熱等靜壓、熱等靜壓等溫鍛造、熱擠壓等溫鍛造三種成型工藝,三種工藝組織上的差別： 熱等靜壓：存在大量的枝晶組織和原始顆粒邊界，沒有明顯的塑性變形； 經(jīng)過鍛造：大多數(shù)枝晶組織和原始顆粒邊界已破碎，少量保留下來； 擠壓材料：由于粉末顆粒受到了強(qiáng)烈的剪切變形，是完全再結(jié)晶的細(xì)晶組織，已觀察不到枝晶組織和原始顆粒邊界。 反映在斷口組織上，熱等靜壓材料是沿原始顆粒邊界斷裂的，為脆性斷裂，而經(jīng)過鍛造或熱擠壓的材料是穿晶斷裂，呈韌窩狀，為韌性斷裂。,3.4

15、.3彌散強(qiáng)化高溫合金,彌散強(qiáng)化：將超細(xì)粉、穩(wěn)定的第二相質(zhì)點(diǎn)十分均勻地引入合金中使其強(qiáng)化。 彌散強(qiáng)化高溫合金：在高溫合金中引人超細(xì)氧化物質(zhì)點(diǎn)，使其在更高的溫度下仍維持較高的強(qiáng)度，使用溫度可提高150的超強(qiáng)高溫材料。 彌散強(qiáng)化工藝：機(jī)械合金化（MA）將兩種以上的金屬粉末或金屬粉末與中間合金粉置入高能球磨機(jī)中球磨一段時(shí)間后制成合金粉末的方法。,典型合金：美國MA956、754和6000E 我國ODS高溫合金的研究： 目前已找到制造ODS高溫合金的完整工藝：MA制粉裝套除氣熱擠壓固實(shí)化變形加工再結(jié)晶處理。 1985年完成MGH956的研制。,3.4.5鎳基高溫合金在航天工業(yè)中的應(yīng)用,制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤：

16、GH1040、GH2038A、GH4169合金 制造發(fā)動(dòng)機(jī)軸：GH2038A、GH4169合金 制造燃燒室隔板、渦輪進(jìn)氣導(dǎo)管：GH1131合金 制造噴管：GH600合金,3.5 金屬間化合物金屬與金屬結(jié)親,有序晶體結(jié)構(gòu) 不同金屬元素通過混合鍵結(jié)合,3.5.1 TiAl系金屬間化合物,主要特點(diǎn)：高溫性能好，抗氧化能力強(qiáng)，耐腐蝕，重量輕。 典型代表：2Ti3Al，TiAl,3.5.1.1 Ti3Al系,在美開始批量生產(chǎn)的鈦高溫鈦合金成分：Ti21Nb14Al和Ti21Nb14Al3.5V-2Mo 目前發(fā)展的2合金,熱機(jī)械處理（TMP）Thermomechannical Precessing,可把塑

17、性變形與組織控制結(jié)合起來，達(dá)到改善合金性能的目的。主要特征是在變形中使材料處于高能量的加工態(tài)，產(chǎn)生穩(wěn)定的點(diǎn)陣扭曲或較高缺陷密度，并在隨后的熱處理過程中加以利用，使材料的強(qiáng)度和塑性結(jié)合較好，成為獲得強(qiáng)韌材料的有力工藝手段。如：鑄錠熱鍛固溶冷變形時(shí)效,室溫塑性和高溫性能的平衡,1、通過改變化學(xué)成分及熱處理調(diào)整相的數(shù)量 Nb大部分性能提高，蠕變性能除外。 Mo、Ta、Cr、V提高強(qiáng)度 Mo提高蠕變抗力 Ta、Mo、Cr提高抗氧化性 高Al、適度的穩(wěn)定元素加量和低V良好高溫強(qiáng)度、蠕變抗力和環(huán)境抗力。,2、改變2相DO19點(diǎn)陣的基體變形機(jī)理 細(xì)化晶粒： （1）添加Nb等穩(wěn)定元素，降低馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度

18、，抑制片狀的長大； （2）在2相區(qū)熱變形和熱處理，再結(jié)晶成細(xì)小等軸晶。 產(chǎn)生塑性第二相：添加Nb、Mo、V等穩(wěn)定元素，使單相2改變?yōu)?。 通過添加Nb實(shí)現(xiàn)激活非基面的滑移。 減少成分偏析：采用真空自耗電弧爐與真空鑄造凝殼爐相結(jié)合的鑄造工藝。,3.5.1.2 TiAl系,相結(jié)構(gòu)：L10型。室溫塑性低，高溫塑性和強(qiáng)度好。 合金分類：單相和雙相（2 ）合金,合金元素作用,室溫纖維結(jié)構(gòu),全層片（FL） 近全層片（NL） 近等軸晶（NG） 等軸晶/層片結(jié)構(gòu)（DP）,性能與纖維組織和溫度的關(guān)系,塑性和強(qiáng)度：NG和DP比FL和NL 高 斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力：FL和NL好于NG和DP 高周疲勞：600以

19、下，F(xiàn)L低于DP 800及以上， DP低于FL,化學(xué)成分對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響,第一代，Ti48Al1V0.1C變形合金。性能較低 第二代，Ti48Al2Nb2Cr及其系列。全片層的粗大組織，使用溫度可達(dá)750，抗拉性能較差。 第三代，鑄態(tài)TiAlNbZrTaHfCrB，優(yōu)化層片組織。,TiAl合金的制備,鑄造 鑄錠冶金 粉末冶金 其他新方法,TiAl金屬間化合物全層片組織結(jié)構(gòu)應(yīng)為：,層片的平均粒晶尺寸為50350um； 2/層片的平均體積分?jǐn)?shù)為525； 中的2相分布應(yīng)該均勻； 層片狀的層片厚度應(yīng)小于1um，應(yīng)控制最小值以保證該結(jié)構(gòu)在高溫長期工作時(shí)的穩(wěn)定性； 晶界應(yīng)呈不規(guī)范形狀且處于穩(wěn)定的

20、低能狀態(tài)； 層片狀晶粒內(nèi)不含細(xì)小的等軸晶粒。,3.5.2 NiAl金屬間化合物,3.5.2.1 Ni3Al系 70年代，兩方面突破： 一個(gè)是1979年，日本Izomi首先發(fā)現(xiàn)添加微量硼顯著提高Ni3Al的高溫塑性； 另一個(gè)是發(fā)現(xiàn)單晶Ni3Al的本征高塑性。,鑄造Ni3Al基合金,我國新研制的定向凝固N(yùn)i3Al基合金，密度小、強(qiáng)度高、塑性好，有優(yōu)異的高溫蠕變性能，可做發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片材料。使用溫度9501100。,高溫性能,高溫超塑成型性 高溫抗氧化性 耐高溫腐蝕性 耐疲勞 高溫耐磨 加工硬化率高,合金固溶強(qiáng)化,可置換Al亞點(diǎn)陣位置而固溶：Si、Ge、Ti、V、Hf等 可置換Ni亞點(diǎn)陣位置而固

21、溶：Cu、Co和Pt 可同時(shí)置換Al和Ni而固溶：Fe、Mn和Cr 我國在Ni3Al合金化方面的研究：硼的韌化機(jī)理；Zr的韌化作用；TiC彌散強(qiáng)化,3.5.2.2 NiAl系,與鎳基高溫合金相比，有更高的熔點(diǎn)、較低的密度、極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、良好的熱傳導(dǎo)性、出色的抗氧化性。 室溫塑性低，超過500強(qiáng)度低；通過合金化、細(xì)化晶粒和改善纖維組織來改善。 熱膨脹系數(shù)接近單晶高溫合金，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于單晶高溫合金。 斷裂韌性低 強(qiáng)化：固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、消除晶界。 發(fā)展方向：鑄造，尤其是單晶或定向凝固合金 主要障礙：合金化途徑和凝固工藝所需的高溫殼型問題。,3.5.3 鉬硅系金屬間化合物,MoSi2高溫強(qiáng)度和抗氧化能力好。 熔點(diǎn)比鎳基單晶高約40，密度約低30，熱脹系數(shù)小約23，機(jī)械疲勞性能小于或相當(dāng)于鎳基高溫合金，導(dǎo)熱性優(yōu)于高溫合金。 低溫脆性，高溫有一定塑性。,3.6 難熔金屬及其合金,3.6.1 鉬及其合金 1、性能特點(diǎn)：