高温合金材料发表评论(0)编辑词条

    高温合金材料    (super alloy material)
    一般指在600℃以上承受一定应力条件下工作的合金材料。它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能。它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料(如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等)，也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。
    简史      高温合金是由镍铬电阻合金发展起来的。英、美等国都开始于20世纪30年代末期。英国蒙德(Mond)镍公司从1941年开始研制了Nimonic合金系列，其中Nimonic80A是最早发展的以Ni3(Al，Ti)强化的涡轮叶片材料。50年代初，中国开始研制航空涡轮喷气发动机。1956年，中国研制成功了第一个高温合金，到80年代已有84个定型牌号。60多年来，高温合金的发展速度很快，工作温度从700℃提高到1100℃左右(图1)，经历了不同的发展阶段(图2)。50年代，真空冶金工艺的实用化促进了合金系列的发展。直至70年代初，通过合金化研制和发展了一系列性能从低到高的不同高温合金，满足了各种使用要求。随着合金化(见高温合金强化)程度的提高，出现了一些难以解决的问题，如脆性拓扑密排相(TCP相)(见高温合金材料的金属间化合物相)的析出使材料脆化、合金中铬含量下降导致耐蚀性下降等。合金成分的发展已接近极限，要通过成分的调整大幅度地提高材料性能已不可能。70年代末期以来，高温合金材料的发展主要通过研究和开发新工艺、新技术，其目标仍是进一步提高工作温度，改善高温或中温下承受载荷的能力，改善综合性能，延长使用寿命。定向凝固铸造高温合金和单晶铸造高温合金作为先进航空发动机涡轮叶片材料已得到较广泛的应用。单晶合金中取消添加不必要的晶界强化元素碳、硼、锆等以提高合金的熔点。氧化物弥散强化高温合金利用高温下稳定的氧化物颗粒进行强化，因而在高温时仍保持很高的蠕变强度。
    分类     高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。变形高温合金的合金化程度相对较低，因而高温强度也较低，但综合性能好，有较好的热加工塑性，可以通过热变形加工成不同形状的部件；铸造高温合金的合金化程度高，高温强度高，但难于或不可能进行热加工变形，因而采用精密铸造制成部件；粉末冶金高温合金是20世纪70年代发展起来的新材料，采用液态金属雾化喷粉或高能球磨机制粉，因此晶粒组织细小，偏析基本得到消除，所以热加工性得到显著改善， 可以将难于变形的铸造高温合金转变成变形高温合金，制成高性能涡轮盘；发散冷却高温合金是金属粉末或丝网压制而成的多孔材料，冷却介质在多孔体表面形成稳定而连续的附面层，起到隔热冷却的效果，能在高达3500℃的极端高温下工作，通常作火箭发动机的喷注器面板。按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金。使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。 
按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效叟杂倒图3铁基、镍基和钴基高温合金的持久强度(1000h)强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。固溶强化高温合金具有良好的抗氧化性、良好的塑性和成形性以及一定的高温强度，主要用于承受应力较低的高温部件，如燃烧室、火焰筒等；时效强化高温合金具有较高的高温强度和蠕变强度以及良好的综合性能，是高温合金材料的主要组成部分，用于承受高负荷的高温和中温部件，如涡轮叶片、涡轮盘等；氧化物弥散强化高温合金中弥散分布的氧化物有高的热稳定性，即使合金和盘材合金等。在很高温度下也不固溶于基体，因而在1000℃以上仍化学成分表中列出典型高温合金。有较高的强度。按主要用途，又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金等。

强化       高温合金中添加各种元素进行强化(见高温合金强化)。图4示出了主要合金元素在镍基和铁基高温合金中所起的作用。固溶强化的主要合金元素有钨、钼、铬和钴等。这些元素的原子半径与基体原子有较大差异，由此引起基体晶格畸变和提高原子结合力，从而提高合金的强度。时效强化是高温合金的主要强化手段，主要通过添加铝、钛、铌等元素生成γ’相、γ’'相和碳化物相(见高温合金材料显微组织)，使合金得到强化。加入微量元素硼、锆、镁和稀土等元素进行晶界强化，其中硼的影响最显著，应用最普遍。对高温合金中微量元素镁的作用，中国进行了较深入的研究并得到广泛的应用。 
制备       包括熔炼、压力加工、铸造、粉末冶金等(见高温合金材料制备)。
展望       正在研究和发展中的高温合金材料有定向共晶铸造高温合金和复合材料等。高温合金材料发展的另一个新领域是金属问化合物高温合金。这类合金高温强度高，密度低，是介于高温合金与陶瓷材料之间的一种很有希望的高温结构材料，各国正在大力开展研究。在研究和发展更高性能材料的同时，也发展了一些新工艺。机械振动法、热流控制法或化学变质法的细晶铸造工艺。生产细晶钢锭则有双电极电弧重熔工艺和电子束重熔工艺。为了改善合金的纯洁度，电子束熔炼工艺将是一种有前景的高温合金熔炼工艺。