高溫合金簡述課件

1、鎳基高溫合金鎳基高溫合金21. 1. 高溫合金簡介高溫合金簡介f高溫合金是指能在 600-1200高溫下仍能保持設計要求正常工作的金屬材料，它在高溫下具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變和良好的疲勞特性。f高溫合金特點：f 耐高溫f 具有較高的強度f 具有良好的疲勞性質f 具有較高的斷裂韌度f 具有良好的組織穩(wěn)定性f 具有較強的抗氧化抗熱腐蝕性能f 具有可靠的使用性能3f 高溫合金分類：f 變形高溫合金f按制造工藝 鑄造高溫合金f 粉末冶金f 鐵基高溫合金f按合金主要元素 鎳基高溫合金f 鈷基高溫合金f 固溶強化f按強化方式 時效強化f 氧化物彌散強化f 晶界強化4f 鎳基高溫合金優(yōu)點：成本低，可用于一

2、些使用溫度較低的航空航天發(fā)動機和 工業(yè)燃氣機的渦輪盤、導向葉片，以及一些承力件和緊固件。缺點：組織不夠穩(wěn)定；抗氧化性差；工作溫度較低鐵基高溫合金優(yōu)點：可溶解較多的元素，具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強 度和抗腐蝕性，工作溫度較高。缺點：疲勞性能稍差，塑性較低鈷基高溫合金優(yōu)點：較高溫度下仍具有高強度和抗熱疲勞性能缺點：中低溫工作性能不如前兩種高溫合金52. 2. 鎳基高溫合金鎳基高溫合金f圖2.1為20世紀40年代后的鎳基高溫合金及其工藝的發(fā)展過程1。Fig. 2.1 Development of Ni-base superalloys6 鎳基高溫合金的基本組織類型有：奧氏體基體（高度合金化固溶體）

3、；彌散分布于基體中的碳化物或金屬間化合物相，如相Ni3（Al,Ti）和相（NiNb，NiTa）；或高熔點穩(wěn)定化合物質點（由粉末冶金或機械合金化方法制得）2。圖2.2為GH4169的金相顯微組織結構圖。Fig.2.2 Microstructure of super alloy GH41697 鎳元素具有獨特的原子結構和穩(wěn)定的晶體結構，其晶體結構從室溫至熔點的溫度區(qū)間內始終保持面心立方結構不變，同時，許多合金元素都可以固溶到鎳基材料中進行充分的合金化，因此鎳具有作為高溫合金基體元素的優(yōu)越屬性，同時鎳基高溫合金中可以析出鎳基高溫合金中可以析出 L12 L12結構結構相相，這是鎳基高溫合金中最有效的強

4、化方式，使得鎳基高溫合金具有優(yōu)良的綜合性能。 在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更高的高溫強度和組織穩(wěn)定性更高的高溫強度和組織穩(wěn)定性，被廣泛應用于航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機的熱端部件材料。在目前的先進發(fā)動機上，鎳基高溫合金的使用量已占發(fā)動機總重量的一半以上3。8 鎳基高溫合金的可加工性取決于決定合金耐熱強度的化學元素。組成鎳基合金基體成分之一的鎳，并不影響可加工性。 鎳基高溫合金中的硼和鈰起強化晶界的作用，帶來了加工性的變壞。鈦和鋁會和鎳元素形成金屬相Ni3（Al、Ti），鈦和鋁的含量增加導致強化相的增加，合金中金屬間相的增加提高了合金塑

5、性變形時的抗剪切強度及金屬加工過程中的切削溫度。此外，合金中相的增加也增加了粘附抗剪切強度和合金的抗磨蝕作用4，從而降低了鎳基高溫合金的切削性能。93. 3. 單晶高溫合金單晶高溫合金 普通鑄造多晶高溫合金中和應力軸垂直的晶界是高溫變形的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋極易在此萌生并成為裂紋擴展的通道。如果晶界與應力主軸方向平行，高溫下作用在晶界上的應力將會最小，從而抑制裂紋形核增加蠕變持久壽命。在這種思路下，逐漸研究出具有優(yōu)異的中、高溫蠕變持久強度和塑性，而且具有優(yōu)異熱疲勞性能的單晶高溫合金。 單晶高溫合金的高強度是多種強化機制和多種元素共同作用的結果。10 單晶高溫合金的成分特點：C, B, Hf從“完全去

6、除”轉為“限量使用”。微量(0.1%)的Hf可以提高涂層壽命和抗氧化/腐蝕性能。C元素具有凈化合金溶液，對抗腐蝕性能也有好處。難熔元素(Ta, Re, W, Mo)的加入總量增加Ta增加/錯配度、強化相和提高其高溫穩(wěn)定性。Ta元素的加入使的合金的壞境性能、涂層性能、鑄造性能和組織穩(wěn)定性都得到改善5Re在基體中形成Re原子團，阻礙位錯運動，降低合金元素擴散速率，阻止相粗化，并提高/錯配度。Cr含量降低Cr元素對合金的抗熱腐蝕性能具有非常重要的影響；Cr含量降低，就允許加入更多其它的有助于提高合金性能的元素，而且仍能保持組織的穩(wěn)定，對合金性能的提高極為有利。Co 的作用固溶強化和增加相數(shù)量，同時改

7、善合金的塑形以及熱加工性能，并對合金組織穩(wěn)定性有一定的提高。Co 在相中有較大的固溶度，能夠降低基體的層錯能，使得合金的持久強度和抗蠕變能力顯著提高。11 Kakehi6發(fā)現(xiàn)鎳基單晶高溫合金在蠕變過程中表現(xiàn)出拉壓不對稱性，但不同于屈服強度的不對稱性，其不對稱性被歸結為是否產(chǎn)生孿晶。001和011取向均可產(chǎn)生孿晶，因而持久性能具有拉壓不對稱性，而111方向的持久過程只與位錯的運動有關，所以無此特征。單晶高溫合金具有各向異性，即蠕變性能與晶體取向密切相關。124. 4. 鎳基高溫合金的應用鎳基高溫合金的應用 鎳基高溫合金可以用來制造航空噴氣發(fā)動機、船舶、工業(yè)和車輛用燃氣輪機的熱端部件，如工作葉片、

8、渦輪盤和燃燒室等。13參考文獻參考文獻f1 Reed R C.The Superalloys Fundamentals and Applications. London: Cambridge University Press,2006.f2 Liu G., He N., Li L.and Man Z. L. Cutting forces during the high speed machining of Inconel 718. Key Engineering Materials, 2004, 259-260: 824-828.f3 Trea M. Pollock, Sammy Tin. N

9、ickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry,Microstructure, and Properties. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(2): 361374.f4 Choudhury I.A. and El-Baradie. M.A. Machinability assessment of inconel 718 by factorial design of experiment coupled with response surface methodology. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 95: 30-39.f5 Jian Zhang. Effect of Ti and Ta on hot cracking susceptibility of directionally solidified Ni-based superalloy IN792. Scripta Materialia, 2003, 48(6): 677681.f6 D. Leidermark, J.J. Moverare, S. Johansson, K. Si