高温合金
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高 温 合 金
5.1 5.2 5.3 高温合金概述 高温合金分类和牌号表示法 高温合金的强化
1 高温合金概述
概念: 概念: 高温合金是指以铁,镍,钴为基,能在600℃以上的 高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料. 性能特点: 性能特点 ⑴高温合金具有较高的高温强度; ⑵良好的抗氧化和抗热腐蚀性能; ⑶良好的疲劳性能,断裂韧性,塑性. 组织特点: 组织特点: 高温合金为单一(奥氏体)基体组织,在各种温度下 具有良好的组织稳定性和使用的可靠性.
我国高温合金:汉语拼音字母+成形方式+强化类型与基体组元 变形高温合金:"GH+ 4位阿拉伯数字" "G","H"分别为"高","合"汉语拼音的第一个字母 "GH"后的第一位数字为分类号: l和2——铁基或铁镍基高温合金 3和4——镍基合金 5 6—— 5和6——钴基合金 1,3和5——固溶强化型 2,4和6——时效沉淀强化型 "GH"后的第2,3,4位数字则表示合金的编号. GH4169:时效沉淀强化型镍基高温合金,编号169 铸造高温合金:"K+ 3位阿拉伯数字" . "K"后第1位数字表示分类号,其含义与变形合金相同 2,3位数字——合金编号. K418:时效沉淀强化型镍基铸造高温合金,编号18
高温合金的质量要求: 外部质量:外部轮廓形状,尺寸精度,表面缺陷清理方法.
锻制圆饼:鼓形,无歪扭;锻制或轧制棒材不圆度≤直径偏差的70%,弯曲度≤ 6mm/1000mm;热轧板材不平度≤l0mm/1000mm.
内部质量:化学成分,组织,力学及物理和化学性能等. 化学成分:除主元素外,对氧,氢,氮及铅,铋,锡,锑,银,砷等含量都有
国外高温合金牌号按生产厂家的注册商标命名: 牌号 注册商家 CMSX Cannon-Muskegon Corporation(佳能-穆斯克贡公司) Discaloy Westinghouse corporation(西屋公司) Gatorize United Aircraft Company(联合航空公司) Haynes Haynes Stellite C0mpany(汉因斯.司泰特公司) Hastelloy Cabot Corporation(钴业公司) Inconel Inco Alloys International,Inc(国际因科合金公司) Mar-M Martin Marietta corporation(马丁马丽塔公司) Multiphase Standard Pressed Steel Co(标准压制钢公司) Nimonjc Mond Nickel Company(蒙特镍公司) Rene General Electric Company(通用电气公司) REP Whittaker Corporation(惠特克公司) Udmit Special Metal,Inc,(特殊金属公司) Unitemp Universal-Cyclops steel Corporation(宇宙-独眼巨人钢公司) Vitallium Howmet Corporation(豪梅特公司) Waspaloy Pratt&Whitney Company(普拉特-惠脱尼公司)
合金牌 号 K211
国外牌号
C 0.15
Cr
Ni
Co
W
Mo
Al
Ti
Fe 余
Nb
其他
BAT-45Y
20
46
--
8
--
--
--
--
--
K401
AHB-300 GMR235D B-1900 IN-100 Rene'100 IN713C TRWVIA IN738 X-40 FSX-414
0.05
15.5
余
周和低周疲劳性能,蠕变与疲劳交互作用下的力学性能,抗氧化和抗热腐蚀性能.
高温合金物理常数:密度,熔化温度,比热,热膨胀系数和热导率等. 用户还对生产过程进行控制:对生产中的原材料,生产工艺,生产设备
和测量仪表,操作工序和操作人员素质.生产和质量管理水平等进行考核和"冻结". 合金转厂生经有关航空生产工程来源批准后,生产出的合金必须检验三炉批全面 性能,并检查主要生产工序中半成品质量. 新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞.
5.3
高温合金的强化
镍基高温合金应用广泛,铁基高温合金和钴基高温合金也有 一定的应用.所有高温合金都含有多种合金元素,有时多达几十 种.这些合金元素将产生合金强化. 合金强化:加入的多种合金元素与基体元素(镍,铁或钴)产 生作用,从而产生强化效应: 固溶强化 第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化) 晶界强化 工艺强化:采用新工艺,或者改善冶炼,凝固结晶,热加工, 热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化. 高温合金强化=合金强化+ 高温合金强化=合金强化+工艺强化
制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用. 二十世纪40年代～50年代中期: 通过合金成分的调整来提高合金的性能. 二十世纪40 年代: 出现了真空熔炼技术,去除合金中有害杂质和气体,精确控 制合金成分,如Mar-M200,In100和B1900等高性能的铸造高温合 金. 二十世纪60年代: 定向凝固,单晶合金,粉末冶金,机械合金化,陶瓷过滤, 等温锻造等新型工艺的研究开发.其中定向凝固工艺所起的作用 尤为重要,采用定向凝固工艺制出的单晶合金,其使用温度接近 合金熔点的90%,至今,各国先进航空发动机无不采用单晶高温 合金涡轮叶片.
40多年来: 研究,试制和生产了100多种高温合金,总计产量达6万t左右. 生产高温合金的装备:大型真空感应炉,不同容量的电渣炉,1～ 7t大型真空电弧炉,200kg真空电子束炉以及大型快锻,精锻机, 挤压机,水压机等设备. 国际公认的工艺技术:低偏析新技术和加镁微合金化技术. 通过低偏析技术,控制杂质元素磷,硫,硅等的低含量,创制了 一系列低偏析合金,其承温能力比原型合金高20℃～25℃.在国 外加Mg净化材质和改善热加工性能基础上,我国七八十年代进一 步发现Mg的偏聚晶界,改变晶界行为可显著提高合金的持久强度 和塑性等性能. 1964年开始,高温合金应用于民用工业部门,如柴油机增压 涡轮,地面燃气轮机,烟气轮机,核反应堆燃料空位格架等.在 民用工业的推广应用中,除传统的高温高强度的高温合金外,还 相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金.
要求.高温合金分析元素达20多种,单晶高温合金分析元素达35种.铋,硒,碲,铊等 含量≤10-6.
组织:低倍和高倍组织,高温下组织稳定性的数据(铸态,加工态或热处理态,
高温长期时效后相应的力学性能),其检测项目有晶粒度,断口分层,疏松,晶界状态, 夹杂物的大小和分布,纯洁度等.
力学性能:室温及高温拉伸性能和冲击韧性,高温持久及蠕变性能wenku.baidu.com硬度,高
我国高温合金发展历程 1956年:正式开始研制生产高温合金,第一种高温合金是GH3030, 用作WP-5火焰筒(歼-5),由抚顺钢厂,鞍山钢铁公司,冶金部 钢铁研究总院,航空材料研究所和410厂共同试制 1957年:通过长期试车后投入生产. 1957年底,继GH3030合金之后,WP-5发动机用的 GH4033(DH437B),K412合金相继试制成功. 1960年代初:先后研制成功GH4037,GH3039,GH3044,GH4049, GH3128,K417等高温合金
--
8.5
--
5
1.8
--
--
K406 K409 K417 K417G K418 K419 K438 K640 K644
0.15 0.1 0.18 0.18 0.12 0.11 0.15 0.5 0.25
15.5 8 9 9 12.5 6 16 25.5 29.5
余 余 余 余 余 余 余 10.5 10.5
5.2
高温合金分类和牌号表示法
高温合金分类: 按合金基体元素种类分: 铁基高温合金:含镍量达25%～60%,又称为铁镍基合金 镍基高温合金 钴基高温合金 按合金强化类型分: 固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金 按合金材料成形方式分: 变形高温合金:饼,棒,板,环形件,管,带和丝 铸造高温合金:普通精密铸造,定向凝固和单晶合金 粉末冶金高温合金:普通和氧化物弥散强化合金 按使用特性: 高强度合金,高屈服强度合金,抗松弛合金,低膨胀合金, 抗热腐蚀合金等.
高温合金的用途 航空发动机:现代航空发动机中用量占发动机总量的40%～60%, 主要用于四大热端部件:导向器,涡轮叶片,涡轮盘和燃烧室. 火箭发动机及燃气轮机高温热端部件 70年代以来,高温合金在原子能,能源动力,交通运输,石油 化工,冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用, 这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性, 而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐 蚀性能. 目前美国高温合金总产量约为每年2.3～3.6万t,大约1/2～1 /3应用于耐蚀的材料.高温耐磨耐蚀的高温合金,由于主要目标 不是高温下的强度,因此这些合金成分上的特点是以镍,铁或钴 为基,并含有大约20%～35%的铬,大量的钨,钼等固溶强化元 素,而铝,钛等γ形成元素则要求含量甚少或者根本不加入.
1
高温合金概述
国外高温合金发展状况 1929年:英美Meriea,Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到 80Ni-20Cr电工合金,蠕变显著强化. 1937年:德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世. 1939年:英研制出Whittle涡轮喷气发动机. 1939年:英Mond镍公司(国际镍公司)研制出镍基合金Nimonic 75,准备用作Whittle发动机涡轮叶片,后为Nimonic 80取代,其 含铝,钛,蠕变性能比Nimonic 75高50℃. 1942年:Nimonic 80用作涡轮喷气发动机的叶片,成为最早的 Ni3(A1,Ti)强化的涡轮叶片材料.此后,该公司在合金中加入 硼,锆,钴,钼等合金元素,相继开发了Nimonic80A,Nimonic 90等合金,形成Nimonic合金系列.
-Ta4- 4.5 ----Ta1.52 ---
粉末高温合金:"FGH"后跟阿拉伯数字表示 焊接用的高温合金丝:"HGH"后跟阿拉伯数字 MGH——机械合金化粉末高温合金 DK——定向凝固高温合金 DD——单晶铸造高温合金 70年代以前,我国高温合金牌号简单,变形高温合金只有3 位数字编号,铸造高温合金只有2位数字编号,即省略了前 缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字,如 "K17",即现在的"K417","GH39"即为现在的 "GH3039"
-10 15 10 -12 8.5 余 余
-----10 2.6 7.5 7.3
5.5 6 3 3 5.3 2 1.7 ---
3.75 6 5.2 5.2 6 5.3 3.25 ---
2.5 1 4.8 4.4 0.8 1.2 3.3 ---
----------
----2.2 2.9 0.9 ---
1932年:美国Halliwell开发了含铝,钛的弥散强化型镍基合金 K42B,用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮. 1941年:美国开始发展航空燃气涡轮. 1942年:Hastelloy B镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及 其后的I-40喷气发动机. 1944年:西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金HS 23精密铸 造叶片. 1950年美国出兵朝鲜,由于钴的资源短缺,镍基合金得到发展并 被广泛用作涡轮叶片.美国的PW公司,GE公司和特殊金属公司 分别开发出了Waspalloy,M-252和Udmit 500等合金.并在这些合 金发展基础上,形成了Inconel,Mar-M和Udmit等牌号系列.
70年代初:高温合金的生产试制和研究已初具规模,通过仿制, 消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺,质量达到或 超过苏联标准和实物水平. 我国资源缺镍少钴,铁基高温合金的研制,生产和应用成 为六七十年代的主线. 至70年代初,研制生产的铁基高温合金牌号达33个,其中 我国独创的达18种之多.大量应用至今的有GHll40,GH2135, GH35A和K213等4种合金. 70年代后:引进欧美发动机WS-8,WS-9,WZ-6,WZ-8,并研 制生产WP-13等发动机,引进和试制了一批欧美体系的高温合 金,使我国高温合金生产水平接近西方工业国家的水平. 自行研究和开发了一批新的镍基合金,如GH4133, GH4133B,GH3128,GHl70,K405,K423A,K419等.
5.1 5.2 5.3 高温合金概述 高温合金分类和牌号表示法 高温合金的强化
1 高温合金概述
概念: 概念: 高温合金是指以铁,镍,钴为基,能在600℃以上的 高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料. 性能特点: 性能特点 ⑴高温合金具有较高的高温强度; ⑵良好的抗氧化和抗热腐蚀性能; ⑶良好的疲劳性能,断裂韧性,塑性. 组织特点: 组织特点: 高温合金为单一(奥氏体)基体组织,在各种温度下 具有良好的组织稳定性和使用的可靠性.
我国高温合金:汉语拼音字母+成形方式+强化类型与基体组元 变形高温合金:"GH+ 4位阿拉伯数字" "G","H"分别为"高","合"汉语拼音的第一个字母 "GH"后的第一位数字为分类号: l和2——铁基或铁镍基高温合金 3和4——镍基合金 5 6—— 5和6——钴基合金 1,3和5——固溶强化型 2,4和6——时效沉淀强化型 "GH"后的第2,3,4位数字则表示合金的编号. GH4169:时效沉淀强化型镍基高温合金,编号169 铸造高温合金:"K+ 3位阿拉伯数字" . "K"后第1位数字表示分类号,其含义与变形合金相同 2,3位数字——合金编号. K418:时效沉淀强化型镍基铸造高温合金,编号18
高温合金的质量要求: 外部质量:外部轮廓形状,尺寸精度,表面缺陷清理方法.
锻制圆饼:鼓形,无歪扭;锻制或轧制棒材不圆度≤直径偏差的70%,弯曲度≤ 6mm/1000mm;热轧板材不平度≤l0mm/1000mm.
内部质量:化学成分,组织,力学及物理和化学性能等. 化学成分:除主元素外,对氧,氢,氮及铅,铋,锡,锑,银,砷等含量都有
国外高温合金牌号按生产厂家的注册商标命名: 牌号 注册商家 CMSX Cannon-Muskegon Corporation(佳能-穆斯克贡公司) Discaloy Westinghouse corporation(西屋公司) Gatorize United Aircraft Company(联合航空公司) Haynes Haynes Stellite C0mpany(汉因斯.司泰特公司) Hastelloy Cabot Corporation(钴业公司) Inconel Inco Alloys International,Inc(国际因科合金公司) Mar-M Martin Marietta corporation(马丁马丽塔公司) Multiphase Standard Pressed Steel Co(标准压制钢公司) Nimonjc Mond Nickel Company(蒙特镍公司) Rene General Electric Company(通用电气公司) REP Whittaker Corporation(惠特克公司) Udmit Special Metal,Inc,(特殊金属公司) Unitemp Universal-Cyclops steel Corporation(宇宙-独眼巨人钢公司) Vitallium Howmet Corporation(豪梅特公司) Waspaloy Pratt&Whitney Company(普拉特-惠脱尼公司)
合金牌 号 K211
国外牌号
C 0.15
Cr
Ni
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其他
BAT-45Y
20
46
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K401
AHB-300 GMR235D B-1900 IN-100 Rene'100 IN713C TRWVIA IN738 X-40 FSX-414
0.05
15.5
余
周和低周疲劳性能,蠕变与疲劳交互作用下的力学性能,抗氧化和抗热腐蚀性能.
高温合金物理常数:密度,熔化温度,比热,热膨胀系数和热导率等. 用户还对生产过程进行控制:对生产中的原材料,生产工艺,生产设备
和测量仪表,操作工序和操作人员素质.生产和质量管理水平等进行考核和"冻结". 合金转厂生经有关航空生产工程来源批准后,生产出的合金必须检验三炉批全面 性能,并检查主要生产工序中半成品质量. 新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞.
5.3
高温合金的强化
镍基高温合金应用广泛,铁基高温合金和钴基高温合金也有 一定的应用.所有高温合金都含有多种合金元素,有时多达几十 种.这些合金元素将产生合金强化. 合金强化:加入的多种合金元素与基体元素(镍,铁或钴)产 生作用,从而产生强化效应: 固溶强化 第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化) 晶界强化 工艺强化:采用新工艺,或者改善冶炼,凝固结晶,热加工, 热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化. 高温合金强化=合金强化+ 高温合金强化=合金强化+工艺强化
制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用. 二十世纪40年代～50年代中期: 通过合金成分的调整来提高合金的性能. 二十世纪40 年代: 出现了真空熔炼技术,去除合金中有害杂质和气体,精确控 制合金成分,如Mar-M200,In100和B1900等高性能的铸造高温合 金. 二十世纪60年代: 定向凝固,单晶合金,粉末冶金,机械合金化,陶瓷过滤, 等温锻造等新型工艺的研究开发.其中定向凝固工艺所起的作用 尤为重要,采用定向凝固工艺制出的单晶合金,其使用温度接近 合金熔点的90%,至今,各国先进航空发动机无不采用单晶高温 合金涡轮叶片.
40多年来: 研究,试制和生产了100多种高温合金,总计产量达6万t左右. 生产高温合金的装备:大型真空感应炉,不同容量的电渣炉,1～ 7t大型真空电弧炉,200kg真空电子束炉以及大型快锻,精锻机, 挤压机,水压机等设备. 国际公认的工艺技术:低偏析新技术和加镁微合金化技术. 通过低偏析技术,控制杂质元素磷,硫,硅等的低含量,创制了 一系列低偏析合金,其承温能力比原型合金高20℃～25℃.在国 外加Mg净化材质和改善热加工性能基础上,我国七八十年代进一 步发现Mg的偏聚晶界,改变晶界行为可显著提高合金的持久强度 和塑性等性能. 1964年开始,高温合金应用于民用工业部门,如柴油机增压 涡轮,地面燃气轮机,烟气轮机,核反应堆燃料空位格架等.在 民用工业的推广应用中,除传统的高温高强度的高温合金外,还 相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金.
要求.高温合金分析元素达20多种,单晶高温合金分析元素达35种.铋,硒,碲,铊等 含量≤10-6.
组织:低倍和高倍组织,高温下组织稳定性的数据(铸态,加工态或热处理态,
高温长期时效后相应的力学性能),其检测项目有晶粒度,断口分层,疏松,晶界状态, 夹杂物的大小和分布,纯洁度等.
力学性能:室温及高温拉伸性能和冲击韧性,高温持久及蠕变性能wenku.baidu.com硬度,高
我国高温合金发展历程 1956年:正式开始研制生产高温合金,第一种高温合金是GH3030, 用作WP-5火焰筒(歼-5),由抚顺钢厂,鞍山钢铁公司,冶金部 钢铁研究总院,航空材料研究所和410厂共同试制 1957年:通过长期试车后投入生产. 1957年底,继GH3030合金之后,WP-5发动机用的 GH4033(DH437B),K412合金相继试制成功. 1960年代初:先后研制成功GH4037,GH3039,GH3044,GH4049, GH3128,K417等高温合金
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8.5
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1.8
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K406 K409 K417 K417G K418 K419 K438 K640 K644
0.15 0.1 0.18 0.18 0.12 0.11 0.15 0.5 0.25
15.5 8 9 9 12.5 6 16 25.5 29.5
余 余 余 余 余 余 余 10.5 10.5
5.2
高温合金分类和牌号表示法
高温合金分类: 按合金基体元素种类分: 铁基高温合金:含镍量达25%～60%,又称为铁镍基合金 镍基高温合金 钴基高温合金 按合金强化类型分: 固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金 按合金材料成形方式分: 变形高温合金:饼,棒,板,环形件,管,带和丝 铸造高温合金:普通精密铸造,定向凝固和单晶合金 粉末冶金高温合金:普通和氧化物弥散强化合金 按使用特性: 高强度合金,高屈服强度合金,抗松弛合金,低膨胀合金, 抗热腐蚀合金等.
高温合金的用途 航空发动机:现代航空发动机中用量占发动机总量的40%～60%, 主要用于四大热端部件:导向器,涡轮叶片,涡轮盘和燃烧室. 火箭发动机及燃气轮机高温热端部件 70年代以来,高温合金在原子能,能源动力,交通运输,石油 化工,冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用, 这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性, 而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐 蚀性能. 目前美国高温合金总产量约为每年2.3～3.6万t,大约1/2～1 /3应用于耐蚀的材料.高温耐磨耐蚀的高温合金,由于主要目标 不是高温下的强度,因此这些合金成分上的特点是以镍,铁或钴 为基,并含有大约20%～35%的铬,大量的钨,钼等固溶强化元 素,而铝,钛等γ形成元素则要求含量甚少或者根本不加入.
1
高温合金概述
国外高温合金发展状况 1929年:英美Meriea,Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到 80Ni-20Cr电工合金,蠕变显著强化. 1937年:德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世. 1939年:英研制出Whittle涡轮喷气发动机. 1939年:英Mond镍公司(国际镍公司)研制出镍基合金Nimonic 75,准备用作Whittle发动机涡轮叶片,后为Nimonic 80取代,其 含铝,钛,蠕变性能比Nimonic 75高50℃. 1942年:Nimonic 80用作涡轮喷气发动机的叶片,成为最早的 Ni3(A1,Ti)强化的涡轮叶片材料.此后,该公司在合金中加入 硼,锆,钴,钼等合金元素,相继开发了Nimonic80A,Nimonic 90等合金,形成Nimonic合金系列.
-Ta4- 4.5 ----Ta1.52 ---
粉末高温合金:"FGH"后跟阿拉伯数字表示 焊接用的高温合金丝:"HGH"后跟阿拉伯数字 MGH——机械合金化粉末高温合金 DK——定向凝固高温合金 DD——单晶铸造高温合金 70年代以前,我国高温合金牌号简单,变形高温合金只有3 位数字编号,铸造高温合金只有2位数字编号,即省略了前 缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字,如 "K17",即现在的"K417","GH39"即为现在的 "GH3039"
-10 15 10 -12 8.5 余 余
-----10 2.6 7.5 7.3
5.5 6 3 3 5.3 2 1.7 ---
3.75 6 5.2 5.2 6 5.3 3.25 ---
2.5 1 4.8 4.4 0.8 1.2 3.3 ---
----------
----2.2 2.9 0.9 ---
1932年:美国Halliwell开发了含铝,钛的弥散强化型镍基合金 K42B,用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮. 1941年:美国开始发展航空燃气涡轮. 1942年:Hastelloy B镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及 其后的I-40喷气发动机. 1944年:西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金HS 23精密铸 造叶片. 1950年美国出兵朝鲜,由于钴的资源短缺,镍基合金得到发展并 被广泛用作涡轮叶片.美国的PW公司,GE公司和特殊金属公司 分别开发出了Waspalloy,M-252和Udmit 500等合金.并在这些合 金发展基础上,形成了Inconel,Mar-M和Udmit等牌号系列.
70年代初:高温合金的生产试制和研究已初具规模,通过仿制, 消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺,质量达到或 超过苏联标准和实物水平. 我国资源缺镍少钴,铁基高温合金的研制,生产和应用成 为六七十年代的主线. 至70年代初,研制生产的铁基高温合金牌号达33个,其中 我国独创的达18种之多.大量应用至今的有GHll40,GH2135, GH35A和K213等4种合金. 70年代后:引进欧美发动机WS-8,WS-9,WZ-6,WZ-8,并研 制生产WP-13等发动机,引进和试制了一批欧美体系的高温合 金,使我国高温合金生产水平接近西方工业国家的水平. 自行研究和开发了一批新的镍基合金,如GH4133, GH4133B,GH3128,GHl70,K405,K423A,K419等.