高温合金成分设计

数代镍基高温合金发展历程
镍基单晶高温合金成分发展的特征 ①晶界强化元素C、B、Zr、Hf等从完全去除转为限量使用； ②难熔元素的总含量不断增加； ③Cr的含量减少；（该元素增加TCP相形成的倾向性）； 镍基单晶高温合金成分发展的要点 ①γ′相形成元素如Al和Ta的含量比例应提高，使其体积分数达到~70%； ②合金成分的选择应保证较小γ/γ′错配度，以获得最小的界面能防止γ′的粗化； ③一些元素，特别是铼、钨、钽、钼和钌，对提高蠕变强度非常重要，但其 含量不能太高，因为它们会促进TCP相的析出；
铌硅基超高温合金
铌硅基超高温合金合金化的成分 设计是基于铌硅二元相图的基础上的 对Nb-Si基超高温合金进行多元合金 化之后，合金的相组成和组织形貌不可避 免的会发生变化，从而引起合金力学性能 及抗氧化性能的变化。根据合金的使用条 件来选择适当的合金化元素，制定相应的 合金化成分，得到合适的组成相和组织形 貌非常重要。 目前，在Nb-Si基超高温合金中添加 的合金化元素有Ti、Al、Cr、Hf、Zr、Mo、 Fe、Sn、B、Ge以及Y和Dy等稀土元素。
加入钇元素Ni3.55Co0.5Cr0.2Al0.75Y
Y的加入显着降低了K417高温合金中 的O含量； 在粗真空条件下，随着Y的加入，N 的浓度和氮化物夹杂物的量减少。在 高真空中，N的浓度 随着Y的增加， 呈现出相当温和的增长趋势； Y的脱氧效果促进了脱氮过程；
不同真空度下，合金中N含量随Y元素含量的变化
图 Nb-15W-5Si-2B-xHf合金高温压缩应力-应变曲线
Zr也是一种常见的合金化元素，其 在提高合金强度和细化组织方面效果明 显，同时可以提高合金的再结晶温度， 有效抑制合金再结晶后的晶粒长大，并 可以改善合金腐蚀后的粗糙度。对于NbSi基超高温合金而言，添加合金化元素 Zr可以有效提高Si原子在Nb3Si相中的扩 散速率。 在Nb-Si基合金中加入稀土元素可以 显著改善其抗氧化性能。通常添加一种 稀土元素时，如La、Ce、Y等，其添加 量在1 at.%以下；当以稀土氧化物的形 式添加时，其添加量在1~3 at.%之间。 稀土或稀土氧化物可以增强合金氧 图 不同Zr含量的Nb-22Ti-16Si合金的BSE像 0Zr(a); 2Zr(b); 4Zr (c) 化膜的粘附性和致密性，细化晶粒，从 而显著提高合金的综合性能。 钒和锆能有效提高Nb-Si基超高温合金的高温抗氧化性能
超高温合金
随着材料加工水平的提高，从最初的变形合金、传统铸造合金，发展到目前广泛应用的 定向凝固合金及单晶等材料，最高承温能力也从最初的800℃提高到1100℃。而叶片冷却技 术及表面涂层技术的发展使高温材料的最高承温能力进一步提高到1200℃，这已是Ni基高温 合金的应用极限温度，但为了追求更高的发动机热效率，迫切需要研发最高承温能力在 1200℃以上的超高温材料。 当今，许多发达国家已经开始了对具有更高应用温度的新型高温金属结构材料的研究。 金属Nb的熔点为2469℃，密度为8.56 g/cm3，其在常温下具有良好的韧性，且对一系列强化 元素具有很强的溶解能力；Si的熔点为1410℃，密度为2.33 g/cm3，能形成抗氧化性能良好 的SiO2膜。Nb-Si基超高温合金具有熔点高、密度低、高温强度优良等特性，使用温度可达 1250~1400℃，比第4代Ni基高温合金高200℃左右，是高温结构材料研究领域的热点之一。
镍基高温合金： IN718合金（合金元素添加结果——tcp相结构）一个铸态、一个铸造和热等静压态 对比
Material in the study was polycrystalline nickel based superalloy Inconel 718 with a normal composition of (wt%) 0.05C, 19.0Cr, 53.0Ni, 3.0Mo, 5.0 (Nb+Ta), 0.5Al, 0.9Ti, and rest Fe
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Part Three
高温合金的性能要求
高温合金工作在600~1200°C，高温性能要求: 蠕变 高温下的力学性能 持久强度 热疲劳
松弛
高温下的抗腐蚀性能
提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用 在合金中加入其它元素，或在合金表面涂层的方法。 如在合金的表面渗铝、渗硅或铬铝、铬硅共渗，陶瓷 涂层等。
铌硅二元相图
Ti元素可以提高Nb-Si基超高温合金室温断裂韧性， 其主要是通过增强Nbss的韧性而提高合金断裂韧性。 加入B B元素的添加使得高温合金中晶体缺陷增多，从而 室温断裂韧性得到提高，添加大量的B元素后，高 温强度会因其产生的固溶强化作用而提高。 加入Mo或W 在合金中添加Mo或W元素后，会抑制共晶反应L → Nbss + Nb3Si的发生，Mo或W可以稳定高温稳定相 βNb5Si3；
钨浓度对Co-10Ni-6Al-（0,2,4,6）W-6Ti（at％）钴基高温合金组织的影响 Co-10Ni-6Al-xW-6Ti at%钴基高温合金
Backscattered scanning electron micrographs of the γ(f.c.c.) plus γ′(L12) microstructure in all alloys aged at 1000 °C for 256 h.
在样品A-F中约50个界面位错核的Re浓度特性。 界面位错核心的 平均Re含量显示在图像的右上角。 y轴是观察到的核心频率，Re 浓度范围为2xwt％至2x+2wt％（x = 5,6,7 ... 21））。 例如，如 果定量分析50个位错核，则存在10个位错核，其中Re浓度为约 12-14wt％，然后观察到的频率为20％。
图 不同Ti含量Nb-Si基超高温合金的断裂韧性
铪元素在铌硅基超高温合金中的成分设计作用
研究发现在Nb-15W-5Si-2B合金中添加 5或10 at.%的Hf之后，合金在l500℃的应力 水平均高于未添加Hf的合金。但是Nb-15W5Si-2B-15Hf合金的应力水平却低于Hf含量 为5和10 at.%的合金。在1200℃时，该合金 的应力-应变曲线特征与1500℃时基本一致。 虽然Nb-15W-5Si-2B-15Hf合金的应力水平 比添加5和10 at.%的Hf合金略低一些，但是 添加了Hf之后，Nb-15W-5Si-2B合金的高温 应力水平均有不同程度的提高。 添加Ti和Hf可以提高Nb-Si基超高温合金 的高温抗氧化性能，采用Ti部分替代Nb能够 提高硅化物和Nbss的高温抗氧化性能。
Backscattered scanning electron micrographs of grain boundaries meeting at triple points in 2W, 4W, 6W alloys after 256 h of aging at 900 and 1000 °C
Al、W和Mo元素对钴基高温合金的影响
Ni基单晶高温合金的初始微观结构。 （a，b）时效处理前后 样品的典型微观结构。 （c）由EDS获得的（a）中由虚线矩 形表示的区域的元素分布图。 （d）由虚线矩形描绘的（b） 中的界面位错网络的放大图像（左）和3D位错断层摄影（补充 电影1）的相应屏幕截图（右），其显示错位网络正好“粘贴” 在 相界。 查看方向是[001]。
高温合金的成分设计
Composition design of high temperature alloys
小组成员：玛合巴丽、李松松 、李新鹏、彭景雅、魏梦莹
目 录
CONTENTS
01 高温合金的 定义和性能
02
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高温合金的 分类和特点
03
高温合金的 性能要求
04
高温合金的 成分设计
合作QQ： 243001978
铸态（铸态）合金的SEM照片：（a）枝晶间铸造孔，（b）（a） 的示意图，（c）枝晶间相形貌图，和（d）Laves和针状δ。
HIPed（铸造和热等静压态）高温合金中MC碳化物的SEM EDS元素 映射：（a）Cr，（b）Ta，（c）Nb，（d）Mo，（e）Ti和（f）C。
镍基高温合金： K417合金
Part
One
高温合金的定义和性能
高温合金的定义
高 温 合 金
高温合金的性能特点
合作QQ： 243001978
Part
Two
高温合金的分类和特点
按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合 金和氧化物弥散强化高温合金。
按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。
高温合金的特点
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Surface elemental map of (a) bare specimen and (b) specimen with Y addition after coking experiment at 1173K for 6 h.
XRD analysis on the surface of (a) bare of specimen (b) specimen with Y after coking Surface SEM images (a) bare and specimen and (b) modified specimen experiment at 1173K for h. with Y 20 addition after coking experiment at 1173K for 16 h.
Co-30Ni-(6+x)Al-(3-y)W-yMo-1Ta-3.5Ti-12Cr-0.1Hf-0.025 C (x=0, y=0, 1, and x=2, y=0, 1,2 at%)
实验合金的背散射扫描电子显微镜照片，时效热处理温度为900℃@ 8 h + 750℃@ 12 h / 600 h / 1000 h。
CoNb高温合金中的蠕变损伤发展和断裂：a）局部相互作用蠕 变损伤，（b）主要裂纹形成（拉伸轴是水平的），和（d） SEM显微照片，显示脆性晶间和枝晶间断裂模式的断裂外观。 在1000°C和40 MPa下蠕变。
CoTa高温合金的蠕变损伤发展和断裂：（a）相邻的裂缝 M23C6碳化物之间的局部相互作用，（b）主裂纹，（c）最 终断裂附近的裂缝，和（d）显示穿晶断裂模式的SEM显微 照片。 在1000°C和40 MPa下蠕变。
铁基高温合金： 钇元素的加入
GH1131
The coking kinetics of specimens with and without Y addition at 1173K for 20 h.
Surface SEM images of (a,b) bare specimen; (c,d) specimen with Y addition after coking experiment at 1173K for 6h. (b,d)are high magnification of(a,c), respectively
Part Four
高温合金的成分设计
固溶强化 结构强化 沉淀强化 晶界强化 碳化物和氧化物强化 定向凝固
提高高温性能 的途径和方法
工艺强化
粉末冶金
快速凝固
合作QQ： 243001978
钴基高温合金：Nb和Ta元素的添加对钴基高温合金蠕变性能的影响
钴基高温合金在相同的加载条件下的蠕变应变率与时间的修正曲线：（a）900℃；（b）1000℃
镍基高温合金： 铼元素在镍基高温合金中的界面位错网络中的分布
Nominal composition (in wt.%) of the second-generation singlecrystalline superalloy is 6.0Al, 6.9Cr, 8.9Co, 1.4Mo, 6.7Ta, 5.5W, 2.9Re, and bal. Ni.
Y00、Y01、Y05在不同真空度环境出 现四种不含Y元素的相，为γ相（fcc）、 γ’相、碳化物和共晶相。 当在合金中加入0.1%和0.5% Y (Y01 和Y05)时，出现了一个新的几微米大 小的白色对比相，分布在共晶相附近， 形态呈光滑的块状或条状。
在不同真空度下添加各种Y的样品的微观结构。 （a）Y00,100Pa; （b）Y01,100Pa; （c）Y05,100Pa; （d）Y00,1Pa; （e）Y01,1Pa; （f）Y05,1Pa;（g）Y00,0.035Pa; （h）Y01,0.035Pa; （i）Y05,0.035Pa。