鎳基高溫合金

時(shí)間:2011-04-20 08:17:06 來源:未知

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鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。

發(fā)展過程

鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強(qiáng)度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強(qiáng)度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢見圖1。

成分和性能

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A₃B型金屬間化合物g'[Ni₃(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為：固溶強(qiáng)化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強(qiáng)化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強(qiáng)化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

鎳基高溫合金按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金。

固溶強(qiáng)化型合金
具有一定的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大(每平方毫米幾公斤力，見表1)的部件，如燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。
沉淀強(qiáng)化型合金
通常綜合采用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化三種強(qiáng)化方式，因而具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高(每平方毫米十幾公斤力以上，見表2) 的部件，如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、渦輪盤等(圖2)。

此外，鎳基合金也可用做航天器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、石油化工和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備等的高溫部件。在現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪葉片幾乎全部采用鎳基合金制造。

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪零件

圖3 鎳基高溫合金的組織和性能的發(fā)展

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圖4 鎳基高溫合金中的s相(針狀相)

圖5 鎳基鑄造高溫合金的宏觀組織和蠕變性能 a.常規(guī)鑄造等軸晶、b.定向結(jié)晶柱狀晶 c.單晶

組織

鎳基合金的顯微組織特點(diǎn)及其發(fā)展情況見圖3，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的g'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時(shí)析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：g'相數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的g'相。在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的g+g'共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被g'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。

現(xiàn)代鎳基合金的化學(xué)成分十分復(fù)雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個(gè)合金元素(尤其是主要強(qiáng)化元素)的含量嚴(yán)加控制，否則會(huì)在使用過程中容易析出有害相，如s、µ相(圖4)，損害合金的強(qiáng)度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發(fā)展出了定向結(jié)晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片(圖5)。定向結(jié)晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。

生產(chǎn)工藝

鎳基合金，特別是沉淀強(qiáng)化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，并經(jīng)真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。

變形合金和部分鑄造合金需進(jìn)行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時(shí)效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時(shí)，空冷；中間處理，1080℃，4小時(shí)，空冷；一次時(shí)效處理，843℃，24小時(shí)，空冷；二次時(shí)效處理，760℃，16小時(shí)，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。

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