高温合金

高温合金的成分设计
定义（一笔带过）---特性---高温性能要求----成分设计
成分设计我们先对高温合金分类（Co基高温合金、Ni基高温合金、Fe基之类的）-----每一类里面进行成分设计，改了成分之后性能就会随之发生变化（体现在为微观组织和宏观应用）
可以着重看5.6节的P26，P32~33，P37~42，P47~50
3.4节的P3，P12，P22，P33，P48
1.2节的P4，P29，P41~44
高温合金定义：
是指以铁、钴、镍等金属为基体，能在600℃以上高温、较大复杂应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。

以Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃）等高熔点金属为基体，加入其它元素构成的在高温下使用的金属材料。

（两句话糅合起来）
性能：
具有较高的高温强度、塑性；良好的抗氧化、抗热腐蚀性能；良好的热疲劳性能和断裂韧性；良好的组织稳定性和使用可靠性。

主要特点
1.高温强度高：镍基高温合金中的强化相数量可高达60~70vol.%，强化效果显著。

2.组织稳定性高：FCC基体，不易产生有害相，数量大且与基体共格性好，性能对尺寸的影响不敏感。

3.合金化程度高：含有Cr、Co、Mo、W、B、Zr、Ta、V、Al、Ti等十多种元素，起固溶强化、第二相强化、晶界强化等综合强化作用。

4.耐蚀性好：耐中性、酸性、碱性、氧化及还原介质的的腐蚀，耐高温腐蚀和氧化。

5.铸造镍基高温合金可进一步提高合金化程度，从而具有更高的高温强度，其使用温度已接近1100℃。

高温性能要求：高温合金工作在600~1200℃，高温性能要求：高温下的力学性能、高温下的抗腐蚀性能；高温下的力学性能包括蠕变、持久强度、热疲劳、松弛；
思路：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。

成分设计以提高性能：
结构强化——固溶强化
加入其它元素，如不同原子尺寸的元素Co、W、Mo等，引起基体金属的点阵畸变；W、
Mo可减缓基体金属扩散，Co降低合金基体的堆垛层错能，从而提高的高温稳定性。

结构强化——沉淀强化
通过高温固溶后淬火时效的方法，使过饱和的固溶体中析出共格第二相的γ’、γ’’、碳化物等细小颗粒均匀分布于基体上，阻碍位错运动，起到强化作用。

结构强化——晶界强化
必须找到一个平衡点。

因为晶粒过度细化，会使得蠕变强度和断裂强度的降低，晶粒过大会降低抗拉强度。

为了提高晶界的高温强度，通常采用控制有害杂质，加入为了的B、Zr 或稀土元素，强化晶界
结构强化——碳化物和氧化物强化
通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下保持稳定的细小氧化物颗粒，如ThO2、Y2O3、A2O3等，呈弥散分布，起到钉扎位错和阻碍位错运动的作用。

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。

合金的主要组分为Fe，并含有相当数量的Cr和Ni，通常Ni含量大约为25%~55%，Ni+Fe ≥65%为基，尽可能含有少量的Mo和W。

因为铁基高温合金中镍含量较高，所以也称铁-镍基高温合金。

Ni：起稳定奥氏体的作用
Cr：起提高合金抗氧化性、抗燃气腐蚀性的作用
Mo和W：起强化晶界的作用
Al、Ti、Nb：起沉淀硬化的作用
镍基高温合金
以镍为基体的奥氏体型合金。

wNi>50%，在700~1000℃范围内使用。

在使用温度下具有较高的强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性，是应用最广泛的高温合金。

按工艺分类四类：变形、铸造（定向、单向、共晶）、弥散强化机械合金化、快速凝固粉末合金
优点：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。

镍基高温合金发展的必然性：
①从室温到熔点，镍都是稳定的fcc结构。

对高温成分不会造成复杂的相变；
②低的热扩散率；高温下组织稳定；
③hcp结构如Co密度大，成本高；bcc结构Cr易脆；
合金元素数量一般多于10个。

大部分合金包含大量的Cr，Co，Al，Ti。

经常也含少量的B，Zr和C。

也会添加一些其他元素，只不过不是所有合金都含有这些元素，包括过渡元素中5d区的Re，W，Ta，Hf和4d区的Ru，Mo，Nb和Zr。

某些含有很高比例的Fe的高温合金，例如IN718和IN706，应该被称作Ni-Fe高温合金。

第一类元素包括Ni、Co、Fe、Cr、Ru、Mo、Re和W，它们构成了稳定的奥氏体γ相。

第二类元素Al、Ti、Ni和Ta有较大的原子半径，从而构成有序相，例如Ni3(AL,Ta,Ti)化合物，也就是γ′相。

B、C和Zr为第三类元素，由于它们的原子尺寸与Ni相差较大，它们往往使γ相晶界分离。

Cr、Mo、W、Ni、Ta和Ti都是很强的碳化物形成元素，Cr和Mo促进硼化物的形成。

镍基高温合金成分设计方案：
以γ相为基体；添加Al、Ti、Nb、Ta等形成γ’相进行强化，γ’相数量较多，有的合金高达60%；加入Co能提高γ’相的溶解温度，提高合金的使用温度；Mo、W、Cr具有
强化固溶体的作用，Cr、Mo、Ta还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；Al和Cr有助于抗氧化能力，但Cr降低γ’相的溶解度和高温强度，因此Cr含量应低些；Hf：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量B、Zr等元素。

镍基高温合金成分优化：
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晶界强化素C、B、Zr、Hf；
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、Ti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；
钴基高温合金
以钴为基体的奥氏体型合金，工作温度可达730~1100℃
wCo：40~60% wNi：10~22% wCr：20~30%
还含有钨、钼、钽、铌等因固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量高。

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。

高温合金成分发展的未来：
粉末ODS高温合金：氧化物弥散强化（ODS）合金是采用独特的机械合金化（MA）工艺，超细的（小于50nm）在高温下具有超稳定的氧化弥散强化相均匀分布于合金基体中，而形成的一种特殊高温合金。

合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持，具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能。

低偏析高温合金：严格控制某些微量元素（主要是P），可大大减少高温合金中的凝固偏析。

通过低偏析技术发展的合金比现有同类合金的承温能力可提高25℃。

难熔金属合金————刘林老师团队；郭喜平老师团队；
金属间化合物。