第三章(高温合金的焊接)

焊接过程中合金不发生相变，故对结晶裂纹无直接影响。
微量元素聚集于晶界，形成低熔点共晶组织，导致裂纹敏感 性增大。
其中，S、P、C、B明显增加裂纹敏感性； Si、Mg稍微增大裂纹敏感性。
铝钛含量较低（＜4%）的沉淀强化高温合金：中等结晶裂 纹敏感性，裂纹敏感系数K=10%~15%，属于可焊合金，适于制造 结构简单的焊接件。
40多年来，结合我国航空发动机研制和生产的需要，研究、 试制和生产了100多种高温合金，总计产量达6万吨左右。从60年代开 始，为适应我国航天工业的发展，先后为各种火箭发动机研制了一批 高温合金，其中有些是专为航天工业的需要而开发的。1964年，高温 合金开始推广应用到民用工业部门，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等，并相继开发出一批高温 耐磨和高温耐蚀的高温合金。
晶界强化元素：B、Zr、Hf、Mg、La、Ce等 ① B：微量B在晶界偏聚，减少晶界缺陷，提高晶界强度，
改善晶界形状，防止晶界片状、胞状相析出，提高合金热强 性和持久寿命。
② Zr：Zr的作用与B相似，但比B稍弱。 ③ Mg：微量Mg偏聚于晶界和相界，使晶界碳化物球化， 抑制晶界滑移，减少楔形裂纹形成，从而改善合金塑性和蠕 变性能。 ④ Hf：改善晶界和枝晶状态，降低热裂纹倾向，提高合 金室温和高C6型碳化物，提高合金高温持久性
W、Mo：① 强的固溶强化元素。W、Mo提高原子结合力，产生 晶格畸变，提高扩散激活能，减缓扩散过程，同时合金的再结晶 温度升高，从而提高合金高温性能。
② 碳化物形成元素。主要形成M6C碳化物，沿晶界分 布可对合金强化起更大作用。
Co： ① 降低基体层错能，提高持久强度，减小蠕变速率。 ② 稳定合金组织，减小有害相的析出。
3.1 高温合金的分类与性能
3.1.1 高温合金的分类 高温合金：以Fe、Ni、Co为基体的能够承受较大应力和具有
良好表面稳定性的高温环境下服役的合金。一般要求能在600℃以 上高温抗氧化和抗腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作。
① 按合金成分：铁基、镍基、钴基高温合金 ② 按强化方式：固溶强化、沉淀强化高温合金 ③ 按生产工艺：变形、铸造、粉末冶金、机械合金化高温合金。 此外还有新的制备工艺，如定向凝固、单晶、氧化物弥散强化等。
稳定质点：① 液态凝固时析出 ② 粉末冶金方法机械加入
沉淀强化型高温合金第二相：Ni3Al型γ′相和Ni3Nb型γ〃相 ① γ′相 γ′相为Ni3Al型面心立方晶体，与基体结构相同，为共格 析出； γ′相十分稳定，有较高的强度和良好的塑性，其数量、 大小和形貌容易控制； γ′相还可以被强化。
Al和Ti是时效强化的Fe基和Ni基高温合金中形成γ′相的基 本成分。
在高温合金发展过程中，工艺对合金的发展起着极大的推进 作用。 40 年代到 50 年代中期，主要是通过合金成分的调整来 提高合金的性能。 50 年代真空熔炼技术的出现，合金中有害杂 质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金前进 了一大步，出现了一大批如 Mar-M200, Inl00 和 B1900 等高性 能的铸造高温合金。进入 60 年代以后，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 发蓬勃发展，成为高温合金发展的主要推动力，其中定向凝固工 艺所起的作用尤为重要，采用定向凝固工艺研制出的单晶合金， 其使用温度接近合金熔点的 90% ，各国先进航空发动机无不采 用单晶高温合金涡轮叶片。
温攀移过程来提高合金的热强性。
⑵ 第二相强化：它又分为时效析出沉淀强化、铸造第二相骨架 强化和弥散质点强化等。利用细小均匀分布的稳定质点阻碍位错 运动，而实现高温强化目的。本质上说，第二相强化是通过第二 相的应力场对位错的阻碍作用、位错攀移、切割第二相以及位错 弯曲绕过第二相时的阻碍作用，使高温滑移变形或扩散变形困难 来实现强化。
1939 年英国 Mond 镍公司 ( 后称国际镍公司 ) 首先研 制成一种低 C 且含 Ti 的镍基合金 Nimonic75 ，准备用作 Whitle 发动机的涡轮叶片，但不久性能更优越的合金 Nimonic80 问世，该合金含铝和钛，蠕变温度至少比 Nimonic75 高 50℃ , 1942 年，这种合金成功的被用作涡轮 喷气发动机的叶片材料，成为最早的 Ni3(A1,Ti) 强化的涡 轮叶片材料。此后，该公司的合金中加入硼、锆、钴、钼等 合金元素，相继开发了Nimonic80A, Nimonic90 等合金形成
Nimonic 合金系列。
美国对铸造合金的发展有一定的贡献， 1932 年美国 Hall iwell 开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金 K42B ，该合金在 40 年代初被用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。美国从 1941 年以后发展航空燃气涡轮， HastelloyB 镍基合金 1942 年用于 GE公司的 Bellp-59 喷气发动机及其后的 1-40 喷气发 动机。 1944 年西屋公司的Yan keel19A 发动机则采用了钴基合 金 HS23 精密铸造叶片，其生产效率高于锻造叶片。 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。在这一时期，美国的 PW 公司， GE 公司和特殊金 属公司分别开发出了 Waspal loy, M-252 和 Udm it500 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。
3.1.3 高温合金的性能和应用
⑴ 性能：主要为室温和高温下的强度、塑性和工作温度下的持 久性能。
高温合金制件：棒材、板材、盘材、丝材、环形件、精密 铸件等。 ⑵ 应用：涡轮发动机的高温部件，如燃烧室火焰筒、点火器和 机匣、加热燃烧室的加热屏、涡轮燃气导管等。
A.800℃：GH3039、GH1140 B.900℃：GH1015、GH1016、GH1131、GH3044、
具体归纳为： (a) 在镍中能形成无限固溶体或者溶解度很大的元素。 (b) 原子半径比镍大的合金元素，加入到镍的固溶体中时，将会使点
阵常数增大。 (c) 高温蠕变时应考虑扩散型变形机构的影响，利于加强原子间的结
合力。 (d) 固溶体中溶质原子的补给、不均分布有助于合金热强性的提高。 (e) 溶质原子的加入，还可以通过改变位错的某种属性、阻止位错高
航空喷气发动机生产的需要是我国高温合金发展的动力。材料 标准是高温合金设计、生产、验收的技术依据，1956年我国正式 开始研制生产高温合金，第一种高温合金是GH3030，WP-5火焰筒 ，有抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料 研究所和410厂共同承2担试制任务，1957年顺利通过长期试车后 投入生产。到1957年底，继GH3030合金之后，WP-5 发动机用的 GH4033、GH34和K412合金相继试制成功。
GH3044、GH3039
3.2 高温合金的焊接性
3.2.1 高温合金的裂纹敏感性 ⑴ 结晶裂纹： ① 结晶裂纹敏感性程度：
固溶强化高温合金：较小的结晶裂纹敏感性，裂纹敏感系数 K＜10%，适于制造复杂形状的焊接构件。
固溶强化型高温合金中的强化元素W、Mo、Cr、Co、Al等在 Ni中溶解度很大，几乎全部溶入基体，形成面心立方γ固溶体。
铝钛含量高的沉淀强化合金和铸造高温合金：较大的结晶 裂纹敏感性，裂纹敏感系数K＞15%，属于难焊合金，不适于 制造熔焊的焊接构件，只适于用真空钎焊和扩散焊等特殊焊 接工艺。
沉淀强化型高温合金和铸造高温合金裂纹敏感性随B、C含 量的增加而增大。
在先进的航空发动机中，高温合金占发动机材料的 40% - 60% 。几十年来 ，航空发动机用高温材料的承温能力由750 ℃提高到90年代的1200 ℃左右。应 该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各 方面共同发展做出的贡献。高温合金的工作环境复杂，温度：从 600 ℃ 到目 前最高涡轮进口设计温度 1701 ℃ 左右；热时间：从火箭导弹的数分钟到原子 能反应堆的几十万小时；燃料与气氛：有航空煤油、各类柴油、重油、天然气 、煤粉、各种炽热废气、液态金属 ( 如钠 ) 等。各种燃料含有不同种类不同 程度的杂质，如硫、钒、钾、钠、碳等，经燃烧后会生成诸如 SO2, SO3,H2S, Na2SO4, V2O5, CO, C02, 02等气体与液体产物，这些反应生成物将引起合金的氧 化、硫化、碳化 ( 增碳 ) 、腐蚀及它们之间的相互作用在燃气轮机条件下氧 势高、硫势低，所以在高温合金表面一般可形成具有保护作用的 A12O3或Cr2O3 氧化皮。但是在煤气化场合，由于氧势很低而硫势较高，这时合金表面不形成 A12O3或Cr2O3保护膜。如何解决还原气氛下工作是高温合金目前遇到的一个十分 棘手的问题。
② γ〃相
γ〃相是以Nb代替Al的Ni3Nb相，该相为亚稳定强化相， 在中温时稳定，故在中温条件下合金具有较高的强度和良 好的塑性。
⑶ 晶界强化：利用微量元素在晶界偏聚和改善晶界状态等方 式来实现高温强化目的。
合金承受应力发生变形时，微观变形反映在晶内和晶界变形。 室温下，晶内变形大于晶界变形 高温下，晶界变形大于晶内变形，且随着变形速率的降低， 晶界变形的比例增加。
● Al、Ti同时存在，部分Ti代替Al， γ′相变为Ni3（Al， Ti），Ti促进γ′相变析出，并提高γ′相的强度；。
● Al、Ti总量决定γ′相数量。 γ′相越多，合金高温性 能越高；
● W、Mo、Nb、Ta等原子半径大的元素，不同程度地进入 γ′，使合金的热稳定性提高；
● Ni基合金中Fe控制得很低。
GH99 C.980℃：GH170、GH188
A.涡轮部件中的涡轮盘：GH4169、GH4133 B.涡轮叶片和导向叶片：K403、K417、K6C、
DZ22、DZ125等 C.燃汽轮机中的叶片：K413、K218、GH864 D.柴油机增压涡轮：K218 E.石化乙烯裂解高温部件：GH180、GH600 F.冶金连轧导板、炉子套管：K12、GH128、