6.1高温结构材料汇总

与前面学过的尖晶石的形成过程类似，在金
属表面形成氧化物后，能否继续向内部扩展，取
决于氧原子穿过表面氧化膜的扩散速度，而此速
度取决于温度和表面氧化膜的结构。
以铁的氧化为例来看一下金属的氧化过程。通常铁 能与氧形成FeO，Fe3O4，Fe2O3等一系列氧化物。 570℃以下，铁表面形成的是构造复杂的Fe3O4， Fe2O3氧化膜，氧原子难以扩散，这种氧化膜起着减 缓进一步氧化、保护内部的作用，但温度高于570℃， 氧化物中除了Fe3O4，Fe2O3氧化膜外，还增加了FeO 成分，而FeO晶格结构很疏松，所以为了阻止进一步
的氧化，必须设法阻止FeO的形成。
改进的方法:
在钢中加入对氧的亲和力大于铁的Cr，Si，Al
等，可优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3、
SiO2等氧化物保护膜，从而可以提高钢的耐热性。
超耐热合金的发展过程：
50年代前后，钴基合金（较高的耐用温度） →50年代后期，镍基合金（合金体为稳定的面心 立方结构）→高温合金中镍含量越来越高，可以
（2)非氧化物陶瓷
•碳化硅：
高温强度大（～1400℃
•氮化硅： 高化学稳定性；
500～600MPa）；
高温结构件（炉管、火箭尾管喷嘴）。
耐蚀、耐磨材料（赛隆刀具）。
•氮化硼：
耐热、绝缘性好；
高温结构元件及刀具等。
氮化硅陶瓷
氮化硅基陶瓷具有密度小、高强、高硬、高韧 性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、 隔热、电绝缘等一系列优良性能。 Si3N4基陶瓷球轴承 氮化硅陶瓷部件
提高使用温度、延长高温下的使用时间、并减
轻质量。
习惯上，将含镍25%-60%及含铁的高温合金
称为铁镍基高温合金。
由于铁基、钴基、镍基合金的使用温度不可
能超过1050-1100℃，而难熔金属钨、钼、铌、钽
有更高的熔点，其合金可在高于1100℃的温度下
使用。
（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。 铁基合金中各元素的作用： 镍——形成稳定奥氏体的主要元素 铬——提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨——强化固溶体的晶界 铝、钛、铌——沉淀硬化作用 基体：奥氏体，主要强化相为 ， 以及其他微量碳化物、硼化物。 铁基高温合金：适用于低于800℃的条件
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用途： 钨、钼、铌、钽这组金属的合金可以作为高温
结构材料，还可作为高温发热体、真空管材料、电
子工业材料、硬质工具、耐磨材料、防震材料
80年代发现的碳化钽，熔点可高达4150℃，可
望成为新一代耐热金属陶瓷材料。
6.1.2 高温结构陶瓷
科学技术的迅速发展，原子能、火箭、燃气
轮机等技术领域的要求，迫使人们去寻找比耐热瓷便应运而 生。
形成金属: 第ⅤB族（V，Nb，Ta）
第ⅥB族（Cr，Mo，W） 高熔点金属
第ⅦB族（Mn，Tc，Re） 第 Ⅷ 族（Fe，Co，Ni）
这些原子中未成对的价电子数很多，在金属 晶体中形成了坚强的化学键，而且其原子半 径较小，晶格结点上粒子间的距离短，相互 作用力大，所以其熔点高、硬度大。
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金属在高温下氧化的初始阶段是一种纯粹的 化学反应过程，随着氧化反应的进一步发展，便 成为一种复杂的热化学过程了。
第六章
6.1.1 超耐热合金
新型结构材料
6.1 高温结构材料
要提高火力发电的热效率，核心在于提高作
为其动力源的蒸汽的温度和压力。要提高气轮机
的输出和效率，都得提高其运转温度，有的材料
还要求能在高温下连续工作几万小时以上，
航天飞机发动机的高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的 叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密 铸造制成。
高温结构陶瓷与金属材料的性能比较:
耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。
易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用
（1）氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷制品
性 能 用 途 坩埚、高温炉管 熔点高 刚玉球磨机 硬度大 透明、耐高温 高压钠灯灯管 备注：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由 于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400℃）强烈腐蚀的特 殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。
⑵碳化物基金属陶瓷 •组成：碳化物（ WC、TiC等）+ 铁族元素 （Co、Ni）。 •特性：碳化物的高硬度、高温强度+金属的塑 性、韧性→工具材料及耐热结构材料。 •硬质合金：刀具、模具（拉丝模等）；钨钴类 YG(WC+Co)、钨钴钛YT(WC、TiC+Co) 及万能类YW（WC、TiC、TaC+Co) 。 •铜结硬质合金：（ 30%～ 50% 碳化物＋合金钢粘结） , 可热处理，可加工。韧性↑,σbb↑。用 作模具、耐磨零件。
等等，这些都需要超耐热合金。
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超耐热合金根据其用途和工作条件的不 同，对性能的要求有所不同，对高温材料的 要求主要有： （1）在高温下要有优良的抗腐蚀性； （2）在高温下要有较高的强度和韧性。
耐热合金主要就是V—VII 副族元素和第 VIII族元素形成的合金。因为第V副族、VI副
族、VII副族元素是高熔点金属。
制造发动机部位的受热面，提高柴油机的质量， 节省燃料（不用水冷却，减少热散失）。
氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、
氧化锆陶瓷
碳化硅陶瓷
（3）金属陶瓷 •取金属及陶瓷优点复合而成。 •构成方式： 陶瓷相(氧化物、碳化物)为主体、骨架； 金属相(Co、Ni等)起粘结作用。 •材料类型： 工具材料(陶瓷为主)；结构材料(金属相数量增加)。 ⑴氧化物基金属陶瓷 Al2O3+Cr( ≤10％) ①性能：韧性较好(Cr的存在)，热稳定性及抗氧化性 好(Cr2O3)。 ②应用：工具材料，热硬性1200℃、硬材料加工 (～65HRC)、高速切削；模具等。
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(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造
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（3）钴基合金：钴含量为40~60% 的奥氏体，可 在730~1100℃ 条件下使用。 耐热温度高。 一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%Cr，以及 Mo,W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素， 含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽 轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。