高温合金-讲

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℃。
1941年：美国开始发展航空燃气涡轮。 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。
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。
1960年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、 GH3128、K417等高温合金
70年代初：高温合金的生产试制和研究已初具规模，通过仿制、 消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或 超过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 为六七十年代的主线。 至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种之多。大量应用至今的有GHll40、GH2135、 GH35A和K213等4种合金。
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。
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。
高温合金强化=合金强化+工艺强化
基体元素的作用 镍、铁、钴基三类高温合金的合金强化特点： (1)镍为面心立方结构，没有同素异构转变；铁、钴仅在高温下 为面心立方奥氏体结构，因此，铁基和钴基合金中须加入扩大 奥氏体相区的合金元素。 (2)镍化学稳定性较高，钴和铁抗氧化性低于镍，但钴抗热腐蚀 能力比镍强；加铬可显著改善镍基合金的抗氧性和钴基合金的 抗热腐蚀性。 (3)镍的相稳定性最好，镍或镍铬基体可固溶更多的合金元素而 不生成有害的相；铁的相稳定性最差，铁或铁铬镍基体只能固 溶较少的合金元素，有强烈的析出各种有害相的倾向。 (4)铁的密度最小，但膨胀系数最大，导热能力较好；钴与镍比 较，其导热性较好，膨胀系数较低，所以其热疲劳性能较优。 镍是一种最佳的基体金属，使得镍基高温合金成为最佳的 高温合金系列。钴基合金耐热腐蚀及耐热疲劳性能高，可以发 挥其优势，有较长的使用寿命，适用于高温低应力下长期使用 的静态部件。铁基合金的使用温度范围较镍基和钴基低。
① 持久强度
随热循环应力增加，循环温度或平均温度的增加而下降； 循环频率增加，热疲劳强度增加。应力集中也会降低金属热疲劳强度。
零部件在长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的 应力随时间的增加而自发地逐渐降低的现象。此为为高温下合金内部组织 不稳定引起。
② 热疲劳
③ 松弛
④ 蠕变
指温度高于0.5T熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随 着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线见如图 所示，根据变形速率随时间的变化，蠕变 曲线可分为三个阶段。
4.高温合金的强化
镍基高温合金应用广泛，铁基高温合金和钴基高温合金也有 一定的应用。所有高温合金都含有多种合金元素，有时多达几十 种。这些合金元素将产生合金强化。 合金强化：加入的多种合金元素与基体元素(镍、铁或钴)产 生作用，从而产生强化效应： 固溶强化 第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化) 晶界强化 工艺强化：采用新工艺，或者改善冶炼、凝固结晶、热加工、 热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化。
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。 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。
制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。
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等高性能的铸造高温合 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。其中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无不采用单晶高温 合金涡轮叶片。
高温合金
定向凝固高温合金 钼基、铬基、钨基高温合金
(1) 铁基（铁镍基）高温合金
铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在18-8型不锈钢中加入钼、 铌、钛等合金元素，使其在500~700℃温度下的持久强度提高。
优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃
气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。
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。
缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高
温强度不够，仅可使用于800℃，
(2) 镍基高温合金
以镍为基体，w Ni > 50%，可在700~1000℃温度范围内使用。
优点：镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高
温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。
(3) 钴基高温合金
2.高温合金的特性、分类及牌号
在高温下合金能具有较高的强度，良好的疲劳性能、断裂韧 度，以及强的抗氧化和抗热腐蚀性能，并保持良好的组织稳定性 和可靠的使用性能等综合性能。
耐热合金和高温合金的分类
耐热钢 耐 高 温 金 属 材 料 低合金耐热钢 铁素体系耐热钢 奥氏体系耐热钢 铁基（铁镍基）高温合金 钴基高温合金 镍基高温合金 弥散强化合金 狭义高 温合金 500℃ ↓ 700℃ 700℃ ↓ 1200℃
提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动 过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶 界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。
(2) 抗腐蚀性
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。
高温合金概述
国外高温合金发展状况 1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到 80Ni-20Cr电工合金，蠕变显著强化。
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。
1937年：德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世。
高温合金
(High-temperature alloy)
目录
1. 高温合金的定义和发展
2. 高温合金的特性、分类及牌号 3. 高温合金的高温性能要求 4. 高温合金的强化
5. 高温合金的应用
1.高温合金的定义和发展
高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持按 设计要求正常工作的金属材料。
高温合金的发展过程
3.高温合金的高温性能要求
高温合金工作在600~1200℃，高温性能要求： ⑴ 高温下的力学性能； ⑵ 高温下的抗腐蚀性能。
(1) 高温下的力学性能
指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。要求获 得此条件下的最大强度，以 A B 表示。其中A，B为材料常数， 为时 间(h)， 是应力(MPa)。持久强度与温度梯度和波动，材料的缺口和应力集 中等因素有关。
w Co在40％~60％的奥氏体高温合金，工作温度可达730~1100℃。
优点：当温度高于980℃时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐
蚀性都很佳，适合于航空发动机，工业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向 叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机的喷嘴等。
缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%~22% 和 w Cr = 20%~30%，以
粉末高温合金：“FGH”后跟阿拉伯数字表示
焊接用的高温合金丝：“HGH”后跟阿拉伯数字
MGH——机械合金化粉末高温合金 DK——定向凝固高温合金
DD——单晶铸造高温合金
70年代以前，我国高温合金牌号简单，变形高温合金只有3 位数字编号，铸造高温合金只有2位数字编号，即省略了前 缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字，如 “K17”，即现在的“K417”，“GH39”即为现在的 “GH3039”
第一阶段，即蠕变的减速阶段。随 时间的增加，形变量增加，变形速率降 低，见右图的AB段。 第二阶段，即恒定蠕变阶段。此时 蠕变变形速率随加载时间的延长而保持 不变，如BC段。 第三阶段，蠕变的加速阶段。蠕变 形变速率显著增加，当达图中D点时，材 料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变 断裂时间越短。
典型的蠕变曲线
及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以 碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如 镍基高温合金。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。
我国高温合金：汉语拼音字母＋成形方式＋强化类型与基体组元 变形高温合金：“GH＋ 4位阿拉伯数字” “G”、“H”分别为“高”、“合”汉语拼音的第一个字 母 “GH”后的第一位数字为分类号： l和2——铁基或铁镍基高温合金 3和4——镍基合金 5和6——钴基合金 1、3和5——固溶强化型 2、4和6——时效沉淀强化型 “GH”后的第2、3、4位数字则表示合金的编号。 GH4169：时效沉淀强化型镍基高温合金，编号169 铸造高温合金：“K＋ 3位阿拉伯数字” 。 “K”后第1位数字表示分类号，其含义与变形合金相同 2、3位数字——合金编号。 K418：时效沉淀强化型镍基铸造高温合金，编号18
高温合金的固溶强化 从物理本质分析，奥氏体固溶强化与下列因素相关： (1)溶剂原子与溶质原子大小不同引起的畸变弹性应力场的作用。 (2)溶剂和溶质原子的弹性模量差别而产生的强化效应。 (3)静电交互作用引起的非均匀分布固溶强化。 (4)化学交互作用引起的非均匀分布固溶强化。 (5)短程有序原子分布引起的固溶强化。 高温合金的第二相强化 高温合金第二相强化分为时效析出沉淀强化、铸造第二相骨 架强化和弥散质点强化等。 时效沉淀强化主要是γ′(Ni3A1Ti)，γ′′(NixNb)或碳化 物的时效沉淀强化。 弥散强化主要是氧化物质点或其他化合物质点的强化。 钴基铸造合金常有碳化物骨架强化。