铌在高温合金中的应用

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1、铌在我国高温合金中应用 我国高温合金仿制和研制成功的有 100 多种， 1982 年列入高温合金手册的有 84 个牌号， 1989 年纳入航空材料手册的有 73 个牌号，其中 60 多个合金牌号已进入批量生产，并具有年生产 10000 吨高温合金的设备能力。现以航空发动机的热端部件燃烧室涡轮盘和涡轮叶片说明我国高温合金体系中含铌钢的形成、发展和应用状况。 1、 含铌铸造高温合金 和国际发展趋势一样，我国在继应用多晶 铸造高温合金后，又发展了一系列定向和单晶铸造高温合金含铌合金如 表 1。 DZ22 和 DZ38G 等一系列合金，达到使用温度 1000 摄氏度的高水平，特别是不含铪的 DZ4 合

2、金已经投入批量生产。第一代的单晶合金 DD3 在 90 年代研制成功，可以达到 1020的高温并且开始应用。目前也正在进一步开展第二代第三代单晶合金的研制 表 2。 2、 铌铁基高温合金 单一或组合加入钨钼铌进行固溶强化。 以固溶强化为主的铁基高温合金列于 表 3。 主要成分为 Fe-Ni-Cr 的奥氏体基体， 可以溶解较多的固溶强化元素 W Mo 和 Nb,也可溶解一定量的沉淀强化元素 Al 和 Ti,使基体获得满意的强度和耐蚀性。其它相均在基体上形成，通过对基体的作用表现出对合金性能的影响。各相之间的相互作用也必须通过基体才能实现。 3、 铌镍基高温合金 下面仅着重介绍几个具有代表性的独创

3、镍基高温合金。 表 4。 经过 7 8 年艰苦的工作， 1964 年， 511 合金在 WP-7 发动机上作为一级工作叶片通过 100 小时试车， 1965 年通过部级鉴定，最终研制成功，正式命名为GH51 合金。其成分为： C0.06/0.11， Cr9.5/11.5， Ni 基， Co15/16.5， W6.0/7.5，Mo2.5/3.1， Al5.7/6.2， Nb1.95/2.35， B0.012/0.02， Ce0.02， Zr0.03/0.05。 950 摄氏度， 100 小时持久强度达 19-20kg/mm2， 1000， 100 小时持久强度达 11kg/mm2。当时是直至目前

4、仍是国内最高性能的高温变形合金，与前苏联的 220，英美的 Nimoic118 国际同类型最高牌号合金性能水平相当。 尽管由于各种客观和主观的原因该合金没有被启用，但它的合金化原理，真空加电渣双联冶炼工艺，包套轧制工艺，四步模锻工艺，避免脱碳脱硼热处理工艺等都是最先提出且颇有建树的，对后来其它高温合金的研究和试制都具有一定的启迪作用。 按照事先提出的要求，一个屈服强度高于 GH33 合金 8-10kg/mm2综合性能优良的涡轮盘材料，经过 WP-7 发动机地面试车和空中试飞证实完全克服了涡轮盘伸长超差的问题。中国自己研制的 新的高温材料，取名为 GH33A，其成分C0.07， Cr19/22，

5、 Ni 基， Nb1.15/1.65， Al 0.7/1.2， Ti 2.5/3.0， B0.01， Ce0.01。GH33A 合金除了屈服强度高以外，疲劳和蠕变性能也都较 GH33 优越。由于该合金在 WP-7 上作为一二级涡轮盘和承力环成功地使用， WP-6 的一二级盘，WJ-5 的一二三级涡轮盘也都全部改用 GH33A。 K19 合金含高钨铌低铬，高铝低钛，固 溶强化和时效沉淀强化效应都很高。持久强度比美国最高铸造合金 Mar-M246， B-1900， In-100 还高。可用作850-1000新型燃气涡轮叶片，导向叶片和整体涡轮。其成分为 C0.09/0.14，Cr5.5/6.5，

6、Ni 基， Co11.0/13.0， W9.5/10.7， Mo1.7/2.3， Al5.2/5.7， Ti1.1/1.5，Nb2.5/3.5， B0.05/0.10， Zr0.03/0.08。 537 是为代替美国的 IN-738 合金。西方的地面燃气轮机和舰用动力设备的一级动叶材料大都用含钽的 IN-738 合金。钽是我国稀缺元素，而铌是我国富有元素，试验发现含 1.7/2.2Nb 的 537 合金也具有良好的抗燃气腐蚀性能和很好的高温强度，合金成分为 C0.07/0.12， Cr15/16， Ni 基， Co9.0/10.0， W4.7/5.2，Mo1.2/1.7， Al2.7/3.2，

7、 Ti3.2/3.7， Nb1.7/2.2， B0.01/0.02。适用在 800-850作大型地面发电燃气轮机动叶材料，经 10000 多小时使用考验，抗热腐蚀性能和使用质量均达到含钽 IN-738 合金水平。 4、 含铌低偏析高温合金 从 1979 年开始深入研究如何减少凝固偏析的问题，着眼点放在合金系统本身。从热力学上分析，合金的凝固偏析程度决定于合金液相线和固相线的相对位置，即凝固温度区间大的合金凝固偏析严重，反之亦然。因此，要减少合金的凝固偏析，一个有效的方法是压缩凝固温度区间。为了准确测定这一区间，我们放弃了传统的热差分析法，而创建了金相探针法来进行这项工作。结果表明，两种方法测得

8、的各种高温合金的初凝固温度是接近的，而终凝温度则相差很大，用热差分析法测得的凝固区间一般在 50-100之间，两者相差 100-200。深入进行凝固过程的观察发现，在高温合金的凝固后期，当液体剩余量约 2%-3%以后，液体的凝固过程非常缓慢， 以至于其结晶潜热的放出非常小而不为热差分析仪所测出，这一温度区间大于 100-200，这是两种方法所得结果相差悬殊的原因。为了探明这种低熔点液体的成因，我们采用电子探针技术对其进行微区分析发现，除了 Ti Nb Mo 等严重偏析外，这种低熔点液体还含有极高的 P Zr B Si 含量， P 的偏析系数可达 1000 倍， Zr 和 Si 的偏析系数可达

9、100 倍。这些微量元素在合金中的平均含量虽然很低，但由于它们在固溶体中的溶解度极低，在凝固过程中，绝大部分被排斥到固液前沿的液体中，随凝固过程的进行，其富集程度不断提高，在凝固后期达到形成共晶的程度。研究还证明 P Zr B 和 Si等微量元素的严重偏析还严重地促进了 Ti Nb 等主元素的凝固偏析，使各种有害相大量析出。如将普通高温合金提纯后，使 P0.001,Si0.05,B 控制在成分下限及去 Zr 后，合金的凝固区间可压缩 100-150 摄氏度，共晶数量明显减少，即可有效地控制合金的凝固偏析。 （ 1） 低偏析精密铸造高温合金 低偏析 M17F M40 合金是在现在先进叶片材料基础

10、上通过降低 P Zr Si B 和增加 Al Ti 含量而发展出来的新型高强度叶片 M38G M40 和 M17F 合金已于 1985 年通过了科学院组织的鉴定，与会专家一致认为它们分别是国际上同类合金中强度性能最好的合金。 M38G 和 DZ38G 是目前最理想的工业和舰用燃机发动机涡轮叶片材料，作为“斯贝舰改”发动机一级和二级涡轮叶片材料进行了考核，得到了满意的效果，并于 1992 年通过了科学院的鉴定。 低偏析 M38G 合金是通过降低 P Zr Si B 和增加 Cr 含量而发展出来的新型抗热腐蚀的叶片材料（ 表 5 和 表 6） 。 M17F 和 M40 合金分别比国际上最好的航空涡

11、轮叶片材料 IN-100 工业和舰船涡轮叶片材料 IN792 合金的承温能力提高 20-25 摄氏度。 M38G 合金与国外 IN738 合金的承温能力相同，但抗热腐蚀能力提高一倍，最适合于做劣质油作燃料的涡轮发动机叶片。 （ 2） 低偏析定向高温合金 定向凝固高温合金在 60 年代中期就在实验室中研制成功，但由于中温横向性能低和纵向易开裂而影响了使用。 70 年代中，由于发现在定向凝固高温合金中加入 1-2%的 Hf，使上述两个缺点得到缓解，从而推动了这类合金的应用。但Hf 是活泼元素，它的加入使返回料应用增加困难，提高了合金成本。利用低偏析技术，发展了一种工业和舰用定向凝固叶片材料（ DZ

12、38G） ,两种航空用定向凝固叶片材料（ DZ125L 和 DZ17GL） (表 7)。由表知，一些原来不宜做定向合金的合金，如 M38， M17G 等，经低偏析技术处理后也具有优良的定向性能。而且还可看出，低偏析定向合金比普通定向合金持久寿命增加三倍，相当于提高承温能力 20-25，接近第一代单晶合金的水平。低偏析定向高温合金的横向性能不仅高于含 Hf 的普通定向高温合金，而且高于多晶合金。这一点也很重要，因为中温横向性能是叶片榫齿的工作状态所要求的，而叶片的榫齿是叶片的薄弱环节。 低偏析的 DZ38G 合金作斯贝舰改机组二级涡轮叶片，通过了长期试车。低偏析 DZ125L 合金作 10A 发

13、动机高压一级空心涡轮叶片，现已通过了第一次性能试车。低偏析 DZ17GL 已决定作 10A 发动机低压一级空心涡轮叶片。由于低偏析合金纯度高，有优良的定向性能，可以在较低的壳型温度下进行定向，因而叶片成品率高达 60%以上。 5、 含铌耐腐蚀高温合金 用于舰船飞机气垫船和发电用的燃气涡轮发动机部件受空气或燃油的盐氛污染而造成的热腐蚀问题不断引起人们高度重视。成分见 表 8。 我国第一个耐腐蚀高温合金研制在 1973 年，开始于 1980 年 K438 合金通过鉴定，专家们认为， K438 耐腐蚀铸造高温合金综合性能达到美国名牌 IN738 合金同等水平。具有良好的抗热腐蚀性能工艺性能和力学性能

14、，组织稳定，根据不同条件可用于 700-900 摄氏度较恶劣环境中的涡轮叶片和导向叶片，特别适用于海上陆用燃汽轮机叶片。该合金采用了少余量熔模精密铸造工艺生产的叶片，并经铬铝涂层，经运行考核，对提高叶片抗腐蚀能力具有良好效果。 至此， K438 合金成为我国第一个最佳的抗热腐蚀高温合金，并立足国内生产，到 1985 年 4 月份由无锡叶片厂生产 2.3 万千瓦燃气轮机一级动叶共九台套（每台套 120 片） ，分别安装在南京大桥电站北京热电厂中原油田和胜利油田等地运行发电，总经济效益是可观的。由于 K438 合金对国民经济建设的巨大贡献， 1982 年获第一机械工业部奖励， 1985 年“ K4

15、38 铸造镍基高温合金材料和工艺研究”获国家科技进步三等奖。到目前为止， K438 合金仍然是国内综合性能最佳，应用最广泛的耐热腐蚀高温合金。 6、 含铌粉末高温合金 (1) 粉冶高温合金的发展和应用情况 在粉冶高温合金领域中，美国俄国处于领先地位。 粉冶高温合金的生产工艺流程： 制粉 粉末筛分 混料 去除陶瓷夹杂 脱气装套焊封 热等静压 热加工 化学成分及性能见 表 9 和 表 10。 (2)我国粉冶高温合金的最新发展 1977 年钢铁研究总院建立了研究课题， 从德国 Heraeus 公司引进了部分研究设备，国内自行设计了一台 690mm 的热等静压机和一台 500T 的等温锻造机。于 19

16、81 年冶金部和航空部成立了联合研制组，有钢铁研究总院北京航空材料研究所北京钢铁学院和北京航空学院参加，共同研制 FGH95 粉冶高温合金，进行了大量的研究工作。 1984 年底，模锻出 420mm 的全尺寸涡轮盘。盘件的性能基本达到了美国同类合金 Rene95 技术条件的要求。 存在的问题是粉末中的陶瓷夹杂含量较高，致使材料性能不太稳定。 采用真空感应炉熔炼母合金，真空感应重熔，氩气雾化制粉。粉末经过筛分去除夹杂真空脱气后，提供使用。所有粉末的颗粒为 100 m,其化学成分和气体含量均符合技术条件（ 表 11）的要求。 粉末的物理、工艺性能见 表 12。 引进的设备已在钢铁研究总圆涿州基地陆续安装投产， 粉末生产线的设备在 1995 年底全部投