高温合金

高温合金的应用（2）
高温合金最为成功的应用是燃气涡轮，目前先进航空发动机高温
合金的用量大约占发动机重量的50%.
2.4.2 高温合金的成分和组织特点
Commercial cobalt-, iron-, and nickel-base superaloys always contain substantial alloying additions in solid solution to provide strength, creep resistance, or resistance to surface degradation. In addition, the nickelbase alloys contain elements that, after suitable heat treatment or thermomechanical processing, result in the formation of small coherent particles of an intermetallic compound.
• 前缀:
– GH:变形高温合金; K：普通铸造高温合金 – DZ：定向凝固柱晶高温合金; DD：单晶高温合金 – HGH:焊接高温合金丝; MGH：弥散强化高温合金 – FGH：粉末高温合金
后缀，特定工艺或特定化学成分，英文字母 同一材料内不同牌号编号，数字 材料分类号，数字 前缀，基本特性类别，汉语拼音
δ = 2 ×[ aγ ' − aγ ]
aγ ' + aγ
∑ aγ = aγ0 + i Γγi xiγ
∑ aγ '
=
a0 γ'
+
Γ x γ ' γ '
ii i
Γ: Vegard’s coefficient
镍基高温合金力学性能与温度的关系
The yield stress increases with increasing temperature until to 800℃ Beyond the peak, the behaviour of the alloys is determined by the strength of γ’phase
高温合金的应用（1）
近年来，随着国家大型飞 机、载人航天、新型能源 等领域的快速发展，使高 温合金铸件的产量大幅提 高。高温合金的市场需求 处于逐步扩大和增长状态。 目前，国际市场上每年消 耗高温合金材料近30万吨。 我国目前高温合金材料年 生产量1万吨左右，每年 需求可达2万吨以上，市 场容量超过80亿元。
2.4.3.2 涡轮盘合金成分、组织和性能
• 涡轮盘的性能要求
– 高强度 – 高断裂韧性 – 抗初始裂纹能力 – 低的疲劳裂纹扩展能力。 – 抗蠕变？
Distribution of Contributing Factors to the Strength
Matrix (pure Ni) ~20% Solid solution + Tertiary γ ’ ~30% Secondary γ’ ~35% Grain Boundary + Primary γ’ ~15%
2.4 高温合金
2.4.1 概述
• 高温合金定义：高温合金又称超合金 (Superalloys)，是可以 在600～1100℃氧化和燃气腐蚀条件下承受复杂应力、长期 可靠工作的一类金属材料。
• 高温合金特点
1. 具有优良的高温性能 2. 承温能力强 3. 综合性能优越
Nickel-based superalloys are used in load-bearing structures to the highest homologous temperature of any common alloy system (Tm = 0.9, or 90% of their melting point).
• FGH4095
– 镍基沉淀硬化型粉末高温合金，可在1050°C以下长 期使用
镍基高温合金中 的主要相
Typical nickel-base superalloys are variations of an austenitic nickel-chromiumtungsten (or molybdenum) matrix, further hardened by coherent particles of γ’(Ni3Al,Ti) with optional additions of cobalt, niobium, tantalum, zirconium, boron, hafnium, carbon, and iron. Single-crystal superalloys do not require grain boundary strengthening elements so that boron, carbon, zirconium, and hafnium are eliminated.
Examples of disk failure
Sao Paulo, Brazil, 2000, Failure of compressor disks, CF-6 engine
2.2.3.1 涡轮盘的制备工艺
两种典型工艺：铸锻和粉冶
粉末盘 vs 铸锻盘
TEM micrograph of P/M disc
高温合金一般处理工艺
真空感应熔炼 (VIM)
熔模精铸
•等轴晶 •定向（DS）
•单晶（SX） •…
•电渣精炼 （ESR）
•真空电弧重熔 （VAR）
开坯（Billet Making）
雾化制粉 筛分 机械合金化
固化、除气百度文库
喷射成形 Spray Casting
….
锻造成形（Forging operations）
高温合金中各元素的作用
Element
Ni Co Cr Mo W Fe Al Ti Nb C B N Zr Mn Cu Ce Si La Y
Effect
High temp. strength, Phase stability (基体元素) High temp. strength (固溶强化，沉淀强化) Oxidation resistance, High temp. strength (形成碳化物) High temp. strength (固溶强化) High temp. strength (固溶强化，形成Laves相) Reduce cost Gamma prime formation (0.6%-2%), Deoxidation Gamma prime formation (2%-3%) Gamma-double prime formation High temp. strength, grain size control (形成碳化物) High temp. creep strength (晶界强化) High temp. strength, Austenite stability High temp. creep strength (晶界强化) Austenite stability, Reduce cost (可部分代替Ni) Austenite stability, Reduce SFE High temp. creep strength (晶界强化) Oxidation and sulfidation resistance Oxidation resistance Oxidation resistance
高温合金的微观组织
• γ相: 基体相 • γ’ 相: 主要强化相 • 镍基高温合金的典型组织是在基
体中析出共格的γ’ 相强化相
Arrangements of Ni and Al atoms in the orderd Ni3Al phase
点阵错配
共格关系： {100}γ// {100}γ’ <010>γ// <010>γ’
T. Osada et.al. Superalloys 2012
涡轮盘合金及制备工艺的发展
合金强化
沉淀强化
Grain Size & Mechanical Properties
随晶粒度增大：抗蠕变、抗裂纹扩展增强 强度、低周寿命减低
轮心：温度低、 强度与抗疲劳 为主---细晶 轮缘：温度高、 抗蠕变为主--粗晶
高温合金分类
合金基体 分类
铁
镍
钴
基
基
基
合
合
合
金
金
金
强化类型 分类
固
时
溶
效
强
强
化
化
合
合
金
金
成型工艺 分类
变
铸
粉
形
造
末
合
合
冶
金
金
金
等定单 轴向晶 晶柱
晶
我国高温合金牌号表示法
• 根据“高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号（ GB/T14992-2005）”，我国高温合金以成形方式、主要强化类型和 基体元素为命名原则。
• 涡轮盘的作用：装配叶片，传递动力, 占发动机总 重20-25%。
• 重要性：是发动机失效或飞机失事的重要部件
– Fatigue – Corrosion
• 工作状况
– 10500rpmv(Trent 800 Engine) – Medium temperature: 650℃(If blades at 1550℃) – High stress: Mechnical stress 10000Mpa during take-off
单晶高温合金发展
单晶高温合金成分中难熔元素的增加趋势
高温合金 Mo + Ta + Re + W
发展年代
(wt.%)
第一代 第一代 第二代 第三代
CMSX-6 4.9
SRR99 13.1
CMSX-4 16.5
]
CMSX-10 20.5
热处理制度 最高温度 (°C) 1280 1303 1303 1366
• 自由锻 Open-die forging •模锻 Closed-die forging • 墩粗Upset forging • 拉拔Extrusion; • 环锻 Ring rolling • 碾压Rotary forging
热等静压HIP,拉拔 Extrusion
热处理
涂层
2.4.3 涡轮盘用高温合金
几种典型高温合金
• GH3030
– Ni-Cr基固溶强化性变形高温合金，常用于燃烧室；
• GH4169
– Fe-Ni基沉淀硬化性变形高温合金，用途广泛；
• K403
– 镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，使用温度在 1000°C以下；
• DZ4125
– 镍基沉淀硬化型等定向柱晶铸造高温合金，使用温度 在1050°C以下；
叶片制备技术
2.4.4.2 力学性能
• 镍基高温合金力学性能 的各向异性
– 普通铸造高温合金形成的 随机取向等轴晶组织，其 宏观力学性能是各向同性 的。单晶合金由于晶体结 构的对称性，力学性能则 明显依赖于应力的取向。 对于定向凝固柱晶材料， 沿晶体生长方向的性能为 各向异性，而在横截面则 为各向同性。
双组织双性能盘
2.4.4 叶片用高温合金
Recent advances have been spurred by the advent of single crystal casting technology
Progress in turbine blade capability has continued for over 50 years
处理时间(h) 10 5 9 20
高压涡轮叶片材料的成分演化
高新代合金：高Re+Ru及高Ta+W密度增加10%，原材料费增加600%
2.4.4.1 叶片制备技术
The investment-casting process, also called the lost-wax process, was first used during the period 4000-3500 B.C. The pattern is made of wax or a plastic such as polystyrene. The sequences involved in investment casting are shown in Figure 11.18. The pattern is made by injecting molten wax or plastic into a metal die in the shape of the object.