高温合金材料的应用与发展

高温合金材料的应用与发展分析

李桃山王保山

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：10号

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：20号

摘要：

本文主要介绍高温合金材料的定义及加工特点，通过了解合金的使用范围及选择标准，使更好的发展运用在各个领域。随着工业技术的发展。要求使用具有耐更高温度下的疲劳、蠕变、热稳定性以及抗氧化性能的高温材料，以适应先进设备（主要是航空运用）的设计要求，因此近半个多世纪以来人们从未停止过对的各种高温合金材料研发。从我国高温材料的发展历程与现状分析认为，我们应该发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

关键字：高温合金材料合金分类应用合金发展前景选择标准

前言：

高温钛合金以其优良的热强性和高比强度，在航空发动机上获得了广泛的应用。类似的高温合金材料在未来很长的一段时间应该是王牌型材料，在科技日新月异的今天，对高温合金材料的研究与来发具有很高的实际意义与战略意义。未来的航空航天飞行器及其推力系统，要求发展比现有的Ti64和Ti6242合金的强度、工作温度和弹性模量更高，密度更小，价格更低的高温合金材料，因此，高温合金材料的是航空材料的发展主流。

一、高温合金材料的定义及加工特点

高温合金定义：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。并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

高温合金加工特点

对于镍合金、钛合金以及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了

加工难度。在加工时的重切削力和产生的高温共同作用下，使刀具产生碎片或变形，进而导致刀具断裂。此外，大多数此类合金都会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。加工钛合金同样面临这些问题。尽管加工钛合金所需的切削力只比钢稍微高一点，但由于钛合金的特殊性能，使加工它比加工同等硬度的钢要困难得多。

主要有以下几点：

1）钛合金和其它高温合金一样，也容易产生加工硬化；

2）钛基合金导热能力很低，使加工时产生的所有热量几乎都集中在切削刃上；

3）钛合金的弹性模量很小，尤其是在重切削力时，使工件容易受刀具偏移和震动的影响；

4）最严重的是钛合金比其它高温合金化学性能都要活泼，这一点使钛合金工件在加工时很容易与刀具发生化学反应，从而导致工件产生缩孔。

因为以上原因，加工耐高温合金需要特殊的加工技术，这里就不详细列出。

二、合金使用范围及选择标准

在540 ～ 815℃高强度应用场合主要采用析出强化合金。这些合金体系均包含通过镍、铝、钛或铌的析出物(Ni3 Al、Ni3 Ti、Ni3 Nb)以及固溶强化元素(如Mo)加以强化的奥氏体基体。

当析出物过剩并随温度升高开始溶解时,说明这些合金已达到温度极限。但是,通过增加析出成形元素(Ti、Al、Nb) ,可以提高其耐热性。此外,还必须持续增加镍含量,以形成金属间析出物,并稳定合金含量更高的奥氏体结构。还可以添加钴元素,降低析出物的溶解倾向。添加钨和钼等难熔元素,可提高高温硬度。所有这些添加元素可改善耐热性能,但亦使合金成本大幅提高。

选择合金取决于力学性能要求(即强度、蠕变、疲劳)以及最高使用温度。典型高温合金的成分、力学性能和使用温度上限分别见表1、表2。

A - 286合金属于奥氏体析出硬化型高温合金,在最高620℃下可长期工作并具有中等强度。A - 286的名义镍含量为25% ,成本较低。

按耐热性能的升序排列,其他常用合金有901、718、X750、751、Waspaloy

和Pyromet 41与720合金。表1所示为本系列材料逐渐增加的合金含量。

Pyromet 718合金也许是最通用的高温合金,在675℃具有高强度和抗蠕变性,且这两种特性在最高760℃下,均达合理水平,其抗疲劳特性极其优越。

Waspaloy合金主要用于温度超出675℃时和最高温度在760℃时需达至超蠕变的情况。由于它的镍和钴含量更高,故其成本较高。Waspaloy是涡轮部件、锻模紧固件和钢模锻造等的理想之选。

高温合金的发展已很成熟,根据具体需求发展现有合金,比开发新型合金更为经济。合金生产工艺及控制技术日新月异,为合金性能的发展开辟了新的天地。

三、高温合金分类及其应用

1、高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和铬基。

铁基高温合金——此类合金又分为固溶强化合金和时效硬化合金。时效硬化合金包括PyrometA - 286、901、V - 57、CTX - 1、CTX - 909合金和Thermo - Span 合金。这些合金均包含铌及(或)钛和铝。经固溶时效硬化处理后,在595～705℃

下具备良好的强度与硬度。

镍基高温合金——此类合金又分为非时效硬化合金和时效硬化合金。含铬量约20%,而镍含量为50%～ 80%。典型的时效硬化合金有:Waspaloy、Pyromet 720、和Pyromet 41、80A、X - 750和751合金,这些合金的适用温度最高为870℃。固溶强化合金( Pyromet 102、680和625合金) 最高工作温度达1 205℃。

钴基高温合金——此类合金的代表是L - 605。除含有镍、铁、铬和钨外,其钴含量达50%;它属展延性合金,工作温度最高约 1 040℃;此类合金还包括MP159和188合金。此类合金尤其适用于需耐硫腐蚀的环境。

2、按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。

（1）铸造高温合金

铸造高温合金及制品主要以航空、航天发动机，地面燃机等动力机械为服务对象，其发展主要以动力机械需求为牵引。铸造高温合金及制品对原材料要求高，制备工艺复杂，产品质量控制严格，行业准入门槛高，国内外具有研制和生产铸造高温合金能力的企业数量有限。

近年来，国内外铸造高温合金发展趋势主要表现为：

1）在等轴晶方面不再投入大量的人力和物力进行新合金的研制，而是通过工艺水平的提高，挖掘合金的潜能，提高等轴晶铸件的使用性能，因而高性能等轴晶的发展是一个重要的方向。

2）目前各种先进铸件制造技术和设备在不断开发和形成，如细晶工艺、热控凝固、真空离心铸造技术等，许多大型复杂结构高温合金铸件制造成功，并付诸应用，特别是越来越呈现出材料和工艺互相影响和促进的趋势。发达国家在铸造高温合金材料上将集中于少数极端工作条件的关键需求上，如适用于超高温、大应力、富氧或腐蚀环境等。同时，继续开发新技术，并提高现有技术的控制水平，从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

3）定向、单晶高温合金研究方兴未艾，新型合金不断涌现，定向凝固合金已出现三代，单晶合金发展到5代，材料本体承温能力达到1200℃，基本达到此类材料的极限。

（2）变形高温合金