镍基复合材料

镍-蓝宝石反应性质的影响
在高温下，蓝宝石和镍或 镍合金将发生反应，这种 反应与弥散强化型合金所用的 Al2O3质点的稳定性观测结果相 一致。除非这种反应能均匀地消耗材 料或在纤维表面形成一层均匀的反应产物， 否则就会因局部表面降粗糙而降低纤维的 强度。
镍基复合材料的制造和性能
制造镍基复合单晶蓝宝石纤维复合材料的主 要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热。 这种方法通常称为扩散结合。 热压法成功的制造了Al2O3-NiCr复合材料， 其最成功的工艺是先在杆上涂一层 Y2O3（约1μm），随后再涂一层钨（约 0.5μm厚）。
固溶强化镍基变形高温 合金中加入较多的钨、 钼、钴等元素。弱时效 强化镍基变形高温合金 可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。强 时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的 铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。也加 入硼、铈、镁等晶界强化元素。
组织特点 ： 主要的强化相是γ´(Ni3Al)相，含量达 20%～55%左右。另一类强化相是 γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡 献远大于γ´相，特别显著地提高屈服 强度，是涡轮盘材料中有名的 强化相。
以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，
金的合金化程度越来越高，热加工 成形越来越困难，必须采用铸造工 艺进行生产。另外，采用冷却技术 的空心叶片的内部复杂型腔，只能 采用精密铸造工艺才能生产。这样， 镍基变形高温合金就转化为镍基铸 造高温合金。
添加元素及作用 ：
镍基铸造高温合金以γ相为基体， 添加铝、钛、铌、钽等形成γ´相 进行强化，γ´相数量较 多，有的合金高达60%；加入钴能提高γ´相的溶解温度， 提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作 用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的 碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ´相的溶 解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中 温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。
加工方法： 变形高温合金塑性较低，变形抗力 大，特别是含γ´相很高的强时效强化镍基变形 高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定 困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢 锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等 新工艺。也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处 理工艺来提高塑性。
镍基铸造高温合金
如K1、 K2等。随着使用温度和强度的提高，高温合
磨损表现为机械微切削；摩擦副表面吸附 水的边界润滑作用以及水的冷却作用使材 料容易耗散摩擦热，塑性变形减小，严重粘着 磨损明显减轻。水的存在使不锈钢偶件更容易 发生氧化，同时暴露于磨损表面的SiC以及由 于水的渗透而导致与基体脱粘的SiC，易被氧 化生成SiO2，进而SiO2发生水合反应 在磨擦对偶表面生成不均匀的SiO2· nH2O 水合反应膜，起到了一定的减磨润滑作用， 显著降低摩擦系数和磨损率。
结果表明：SiC颗粒在镀层中分布均匀：SiC 颗粒附近镀层的硬度是纯镍镀层的3倍，但 随着远离SiC，复合镀层硬度明显下降；复 合镀层的耐磨性能与普通镍镀 层相比有较大幅度的提高，在油润滑 条件下磨损体积为普通镍镀层的1／8。
蓝宝石晶须蓝宝石杆
以单晶氧化铝为镍基复合材料的增强物具有 高弹性模量，低密度，纤维形态的高强度、 高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。 蓝宝石晶须和蓝宝石杆的强度与截面积的函 数关系如图所示。
基体合金及成分
Zh36 Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti EPD-16 Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb Nimocast713C Ni-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo6Al-1Ti Mar-M322E Co-21.5Cr-25W-10Ni-3.5Ta0.8Ti Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti 9.15 持久强度 密度 MPa 1100 ℃ 100h 12.5 138 高温比强度m x 103 1100℃ 100h 112.5
镍基复合材料
镍基复合材料是以镍及镍合金为基 体制造的。由于镍的高温性能优良， 因此这种复合材料主要是用于制造 高温下工作的零部件。
金属基复合材料最有前途的应用之一是做燃 气涡轮发动机的叶片。这类零件在高温和 接近现有合金所能承受的最高应力下工作， 因此成了复合材料研究的一个主攻方向。
镍基变形高温合金
缺点及克服方法 （1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用 中组织稳定性有所下降； （2）存在疏松，性能波动较大。
应用：镍基铸造高温合金用于飞机、
船舶、工业和车辆用燃气轮机的最 关键的高温部件，如涡轮机叶片、 导向叶片和整体涡轮等。
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镍基复合材料在水环境中的摩擦学 性能及磨损机理研究
复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦 降低了一半左右，磨损率仅为干摩擦下的 1／15，水环境中，负荷和速度的变化对 摩擦系数的影响不大，摩擦系数基本保持 在0．28～0．32之间，磨损率随负荷和滑 动速度的增加而不断增加。
以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍 基变形高温合金以汉语拼音字母“GH” 加 序号表示，如GH36、GH49、GH141 等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、 热变形手段加工成材。 按强化方式可分为固溶强化镍基变形 高温合金，弱时效强化镍基变形高温 合金和强时效强化镍基变形高温合金 3类。
高温金属基材复合材料的基体合金成分和性能
镍基纳米SiC复合镀层的 摩擦学性能
为研究镍基纳米SiC复合镀层的摩擦学性能， 在A3钢板上制备了该镀层，利用扫描电镀 对镀层显微组织进行观察，通过纳米显微 力学探针测量镀层微区硬度，在MM－200 摩擦磨损试验机上对镀层进行磨损试验， 研究阴极电流密度，温度和镀液中SiC浓度 等主要工艺参数对镀层耐磨性能的影响。
8.3
51
63.5
8.0
48
61.3
48 23 25.4
用途：镍基变形高温合金广泛地用来 制造航空喷气发动机、各种工业燃气 轮机的热端部件，如工作叶片，导向
叶片、涡轮盘和燃烧室等。
燃气轮机涡轮零件
高温合金 汽车增压器喷嘴环叶片
合金元素的作用：
铬在镍基变形高温合金中的主要 作用：增加抗氧化及耐蚀能力。 20世纪40～50年代发展的镍 基变形高温合金中铬含量高 达18%～20%，在60年代， 为了提高高温强度，将铬含量 降低到8%～12%。过度降铬有 损抗氧化、耐蚀能力。
除了热压法制得的镍基复合材 料外，人们还研究了其他方法 制造的镍基复合材料的性能。 对粉末冶金法制得的材料进行 的研究结果表明，在粉末压实 过程中晶须因排列不当而大量 断裂。测得的性能很差，晶须 体积比为23%的复合材料的室温强度最高只有 690MPa。其他方法制得的镍基复合材料的性能也 不理想。