高温金属材料和性能

1960年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、 GH3128、K417等高温合金
上世纪70年代初： 高温合金的生产试制和研究初具规模，通过仿制、消化和 发展前苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或超过 前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 为上世纪六七十年代的主线。 至上世纪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。大量应用至今的有GHll40、GH2135、 GH35A和K213等4种合金。 上世纪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。
47
15.5 15.5 5
22
1.5* 2.5*
1.5
5 14.5 24.5
9
0.6
7.0* 1 5.5
18.5
2.2 -
2.5 -
-
-
0.5 Mn 0.4 Si
0.6 V
-
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。
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，我国上世纪 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。
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。
高温合金及金属间化合物高温材料的分类 变形高温合金
等轴晶铸造高温合金
铸造高温合金 高 温 合 金 焊接用高温合金丝 粉末冶金高温合金 定向凝固柱晶高温合金 单晶高温合金
弥散强化高温合金
镍铝系金属化合物高温材料 钛铝系金属化合物高温材料
1.25*
2.5* 0.2
16
6 6.5 16.5
1.0* 1.0* 0.5
2.0*
1.0* 18 20 5.0*
0.4*
0.25
0.5*
0.25
4.0* 2 -
2 2 -
9 Si 0.01 B
Hastelloy R Hastelloy S Hastelloy W
Hastelloy X
66 68 63
Ni Cr Co Mo W Fe Al Ti Cu Nb Others
Waspaloy
Udimet 500
56 53 54 60
19 17.5 19 9
14 4.2
16.5
ຫໍສະໝຸດ Baidu
10
1.5*
1.4 3
-
-
0.1 Zr 0.01 B 1.5 Ta
4 10 2.5
4.0* 2.9 3.9 5.0* 1 2.6
Al 0.4* 0.4* 0.4*
Ti -
Cu -
Nb - 0.4 V 0.35* V 0.35* V
Hastelloy C276 56
Hastelloy C4
Hastelloy D Hastelloy F Hastelloy G Hastelloy N
54
85 45 44 72
16
1.0* 22 22 7
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应用于耐蚀材料。 高温耐磨耐蚀的高温合金：要求的不是高温强度。这类合金 的成分以镍、铁或钴为基，并含有20％～35％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。
5.2
高温材料分类和牌号
新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞。
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重量的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：
上世纪70年代以来，高温合金在民用工业部门（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）得到推 广应用，这类高温合金中一部分主要利用高温合金的高温高强度 特性，另一部分主要应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。
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、硬度、高周和低周疲劳性能、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。 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。
高 温 材 料
5.1 5.2 5.3
高温材料概述 高温材料分类和牌号表示法 高温材料的强化
1
高温材料概述 概念： 高温材料是能在600℃以上的高温及一定应力作用下 长期工作的一类材料。 性能特点： ⑴高温材料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： 高温材料在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用 的可靠性。
M252 MAR M-246
10 10
0.15 5.5 1.5
制造工艺在发展高温合金中的作用 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高性能铸造高温合金。 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。 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 航空发动机均采用单晶高温合金涡轮叶片。
国外高温合金发展状况
1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量Ti、Al加入电工合 金80Ni－20Cr，蠕变显著提高。 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。
牌
号
Ni 74 65 64.5 48
Cr 20 30 25 12.5
Co -
Mo W 10
Fe 1.5* 1.0* 25
Al 1 4
Ti 1.75 3.7
u - - - - - 0.15 Mn 0.03 Ce
Nimonic 80 Nimonic 81 Nimonic 86 Nimonic 942
2.0* -
金属间化合物高温材料
牌号：字母+阿拉伯数字 根据需要，牌号后加英文字母表示原合金的改型合金（某种 特定工艺、特定化学成分）
牌号前缀
变形高温合金：GH； 等轴晶铸造高温合金：K； 定向凝固柱晶高温合金 ：DZ； 单晶高温合金：DD；
焊接用高温合金丝：HGH；
粉末冶金高温合金：FGH； 弥散强化高温合金：MGH； 金属间化合物高温材料：JG。
阿拉伯数字 ⑴变形高温合金和焊接用高温合金丝：
前缀后用四位数表示： 第一位：合金的分类号； 单号：固溶强化型； 双号：时效强化型
第二 ~ 四位：合金编号，不足位的合金编号用“0”补充。
⑵其它高温合金和金属间化合物高温材料 铸造高温合金：前缀后加三位数字 第一位：合金分类号； 第二、三位：合金编号，不足的用“0”补齐
1.3 2.2
1.0* 5.5 -
- - 0.015 B
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。
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。
粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金、金属间化合物高温 材料：前缀后加四位数字
铁或铁镍基变形高温合金
镍基变形高温合金
钴基变形高温合金
等轴晶铸造高温合金
定向凝固柱晶高温合金
单晶高温合金
焊接用高温合金丝
粉末冶金高温合金丝
弥散强化型高温合金
金属化合物型高温材料
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)
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。
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。
Hastelloy A
Hastelloy B Hastelloy B2 Hastelloy C22
Ni 57 62 66 54
Cr 1.0* 1.0* 1.0* 16 21
Co 2.5* 0.75* 2.5* 2.5*
Mo 21 28 28 17 14
W 4 3
Fe 19 5.5 2.0* 5.5 5.0*
按合金基体元素种类分： 铁基(铁镍基)高温合金：含镍量达25％～50％ 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