培訓材料-高性能合金技術要點

高性能合金技術要點

必背會按性能特征精密合金、高溫合金、耐蝕合金、特殊不銹鋼按成化學成分鎳基合金、鈷基合金鎳合金工藝生產(chǎn)成分組織復雜、性能特殊制造流程長、工藝方法特殊、工藝難度大成分、組織、性能要求高，控制和測試難服役條件特殊，常有可靠性要求什么是高性能鎳合金性能與成分設計微合金化問題特殊冶金與成分控制成分控制與化學分析技術偏析控制與消除先進鍛造技術的應用熱處理與組織性能控制缺陷控制與無損檢驗技術短流程與材料循環(huán)高效利用鎳合金的共性技術問題典型性能要求物理特性——磁性、膨脹、彈性等及其隨溫度的變化力學性能——強度、塑韌性、硬度、疲勞、持久、蠕變及其隨溫度的變化化學性能——氧化、腐蝕、腐蝕斷裂、腐蝕疲勞典型成分和元素磁性——Fe、Co、Ni為基礎，典型合金化元素有Al、Si、Mo、Cu、Nb、V、B等膨脹、彈性——Fe-Ni、Fe-Co系為基礎，典型合金化元素有Nb、Cr、Ti、Al、Mo力學（高溫力學）——Mo、W、Ti、Al、Nb、C、N氧化——Ni、Cr、Al、Si、Y腐蝕——Cr、Ni、Mo、Cu、Si、Ti、Ta、Zr、Nb、N公認的有害微量元素——P、S、As、Sn、Te、Bi、Pb、O、N公認的有益微量元素——La、Ce、Y、Ca、MgZr、V、C、B、Nb、Ti、鎳合金的性能與成分設計現(xiàn)象低溫脆性、高溫脆性、回火脆性、韌性材料的脆化、持久和蠕變壽命大幅縮短、晶間腐蝕等典型問題原因P、S、O、H、復雜結構的碳化物、As、Se、Te、Bi、碳化物析出導致晶間合金元素貧化等，有害雜質在材料晶界、晶面、拉應力區(qū)域等特定位置的高倍率聚集、直接形成有害相或促使有害相析出是關鍵。方法直接——通過冶金手段是合金材料純化甚至達到超純的程度（雖進展快，但難度大、成本高），但不能完全避免。間接——加入熱力學和動力學行為與有害元素類似的微量元素，使之與有害元素生成穩(wěn)定的化合物、改變有害元素擴散和聚集的熱力學條件以阻止其有害行為、改變有害相析出的熱力學條件以阻止有害相析出、是某些弱化的區(qū)域得到強化。材料純凈化與微合金化的完美結合是關鍵合金體系、服役條件、失效形式、有害元素、性能需求、技術難度、成本考慮鎳合金的微合金化技術冶金是基礎冶金過程確定化學成分化學成分是合金具備某種（些）特性的根本依據(jù)所有元素可歸為兩類——確保范圍、盡量減少，他們是一對矛盾，此外成本也是要素目標可分步達到，冶金方法、原料、冶金過程參與物質、工藝參數(shù)、多參數(shù)結合運用、合金化條件和順序、不同冶金方法的有效結合等都是關鍵特種合金的典型冶金方法爐外精煉（脫碳、脫硅、脫氧、加氮、合金化等，氧化、還原、合金化，最復雜、最經(jīng)濟）真空感應熔煉（不造渣、造渣，周期、半連續(xù)）電渣重熔（無保護、惰性氣體保護、特定氣體高壓）真空自耗重熔、真空電渣重熔上述工藝的有序（有效）結合主要關注點是高蒸氣壓的易揮發(fā)元素、易氧化燒損的活性元素、難以去除的有害雜質元素、必須確保的微量元素、易與冶金過程參與物質發(fā)生物理化學反應的元素。渣、溫度、壓力、氣氛、反應面積（攪拌）、速率等多參數(shù)等都是關鍵。鎳合金的特殊冶金技術鎳合金冶金技術趨勢純凈化與超純凈化微合金化的實現(xiàn)低偏析技術與凝固控制技術低品質原料利用與材料循環(huán)高效利用技術局部重熔技術等離子熔煉、無坩堝熔煉等新技術的采用多種工藝方法結合技術短流程技術化學元素分析技術是冶金技術發(fā)展的重要依托（傳感和反饋）面臨的主要問題常見元素的快速精確分析易干擾元素的精確分析微量痕量元素的精確分析和快速分析樣品制備往往成為最麻煩的事儀器分析是關鍵常見分析方法和儀器火花直讀光譜、X射線熒光光譜、高頻等離子光譜質譜、碳硫儀、氣體分析儀等電子探針是最佳的微區(qū)分析手段最原始的化學分析方法是基礎冶金技術的依托熱處理是控制并獲得最終組織和性能的關鍵特種合金比常見合金材料遇到更多的熱處理問題枝晶偏析超量、大塊、不合理分布的碳化物低熔點的共晶析出相晶粒度與均勻性控制并不容易有序相、碳化物、氮化物、金屬間化合物等隨熱處理的變化十分復雜析出相大小與數(shù)量控制、有害相的抑制磁性、膨脹、恒彈性、電阻率、熱電等物理性能控制應力狀態(tài)與長期穩(wěn)定性控制特種合金的熱處理難度更大加熱保溫步數(shù)多加熱冷卻多有速率要求保溫溫度范圍極窄溫場均勻性要求更高熱處理變形控制更嚴且處理后不允許變形矯正特種合金常用的熱處理方法高溫擴散退火、分及固溶處理、分級時效處理、長時和分級穩(wěn)定化處理、磁場熱處理等鎳合金熱處理的特殊性先進鍛造技術和裝備的采用鍛造是獲得預期組織和性能的基礎特種合金鍛造的特殊問題導熱系數(shù)低，某些牌號對加熱氣氛及燃料雜質敏感，鍛造加熱條件要求高鍛造溫區(qū)窄，個別合金僅有大約100攝氏度晶體結構特殊、相組成復雜、動態(tài)再結晶慢、高溫塑性差變形抗力大且對變形速率敏感雜質元素易于在晶界聚集，導致晶界強度低，極易斷裂難以達到較大的變形深度，極易造成組織不均勻某些牌號需要特殊的鍛后冷卻方式特種合金的鍛造方式早期錘鍛為主液壓機鍛造（兩錘頭和四錘頭方式）液壓機開坯鍛造+精鍛機（徑向鍛機）鍛造液壓機等溫鍛造，等溫模鍛和超塑性鍛造電墩機鍛造（用于特殊零件鍛造）根據(jù)不同牌號特種合金的高溫變形特性選用適宜的鍛造方式是關鍵某些特種合金的鍛造難題不一定能夠通過鍛造技術得到解決常見缺陷縮孔、氣孔、凝固裂紋、發(fā)裂、白斑、黑斑、過量夾雜、夾渣、異種金屬、縱向鍛造裂紋、橫向鍛造裂紋、熱處理裂紋、混晶、組織粗大、表面起皮、折皺、裂紋燒蝕等等冶金因素、鍛造、熱軋、熱處理加工過程均可導致缺陷上述多數(shù)缺陷在NDT過程中可見異常，但可以準確判定的只有大約一半我們的任務主要有兩個將缺陷檢出弄清缺陷的成因并克服之檢出缺陷的手段NDT，包括超聲（橫波、縱波、表面波，A型、B型、C型）、滲透（著色、熒光）、磁粉、渦流、X射線、γ射線等低倍檢驗金相檢驗（典型情況為100X、500X，分析研究時可以采用各種放大倍數(shù)）借助SEM、TEM、EDS、XRD、EPMA、AES等重要手段可以弄清缺陷的成因缺陷形態(tài)、大小、分布特征、化學成分、晶體結構等是判定缺陷成因的重要依據(jù)確定缺陷成因進而最大程度地避免是目的，前提是你必須對加工過程了如指掌缺陷控制與無損檢驗技術鎳合金材料的服役壽命是一個重要的可靠性問題材料性能是影響零部件服役行為的基礎因素零部件的服役條件和環(huán)境決定了材料的失效形式針對各異的失效形式必須采取不同的對策沒有哪種材料能滿足所有的應用需求在失效形式與實驗室性能指標之間找的必然的聯(lián)系用實驗室指標推斷服役壽命是目的典型的實驗室指標有液固相線溫度、線膨脹系數(shù)、彈性模量、導熱率、磁性指標、電性指標、室溫力學、低溫力學、高溫力學、摩擦磨損、均勻腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞等等典型的失效形式是環(huán)境因素造成的物理性能過量丟失，應力作用下的斷裂、超量變形、脆化、疲勞斷裂，腐蝕導致的尺寸減小、穿孔、松弛、脆化、斷裂，通常情況下應力與腐蝕是共存的對可靠性研究最多的是高溫合金和耐腐蝕合金，我國基本以跟蹤模仿為主性能評價與壽命評估技術就化學成分而言，新發(fā)明的合金越來越少針對特定應用的高性價比合金越來越多材料評價理論、技術