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1、高温合金1.高温合金概述高温合金定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在 600以上的高温及一定盈利作用下长期工作的一类金属材料。性能：有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能。组织为单一奥氏体基体，在各种温度具有良好的组织稳定性和使用的可靠性。用途：一开始主要用于航空发动机的四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室。还用于火箭发动机及燃气轮机高温热端部件，现在在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等民用工业部门推广使用。高温合金分类和牌号表示方法分类：按基体元素分：铁基、镍基、钴基合金；按合金强化类型分：固溶强化型和时效
2、沉淀强化型合金；按合金成型方式分：变形合金、铸造合金、粉末冶金合金。牌号表示方法采用汉语拼音字母符号作前缀+阿拉伯数字表示。变形高温合金以“GH”加 4 位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，1、2 表铁基或铁镍基，3、4 表镍基，5、6 表钴基；1、3、5 表固溶强化型合金，2、4、6 表时效沉淀型合金。前缀后的第2、3、4 位表合金编号。铸造高温合金以“K”加 3 位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，含义与变形合金相同，第2、3 位表合金编号。粉末高温合金以“FGH”加阿拉伯数字表示。机械合金化粉末高温合金、定向凝固高温合金、单晶铸造高温合金分别以“MGH” 、 “DK”、
3、“DD”为前缀。2.高温合金强化原理合金强化定义：就是把多种合金元素加入到基体元素中，使之产生强化效应。类型：固溶强化、第二相强化（时效析出强化、弥散强化） 、晶界强化。工艺强化定义：采用新工艺，或改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节改善合金组织结构而强化。高温合金中基体元素的作用三类合金的合金强化特点：镍为 fcc 结构，无同素异构转变，铁、钴室温为 bcc 和 hcp，高温为 fcc 的 A结构，铁基和钴基合金中必须加入扩大 A 的和合金元素；镍具有高的化学稳定性，钴和铁的抗氧化性比镍差，但钴的抗热腐蚀能力比镍强，三类合金均需加入铬改善抗氧化腐蚀性；镍、铁、钴的合金化能力不同
4、，镍最佳，铁和钴受到限制；镍铁钴的某些物理性能略有差别，铁的密度最小，膨胀系数最大导热能力好，钴与镍比较，导热性好膨胀系数低，热疲劳性能好。高温合金固溶强化机制：与原子大小相关的尺寸因素引起的弹性应力场的作用；考虑尺寸因素同时考虑由于溶质和溶剂原子弹性模量差别产生的强化效应；静电交互作用引起的非均匀分布固溶强化；化学交互作用引起的非均匀分布固溶强化；短程有序原子分布引起的固溶强化。合金固溶强化与什么有关？合金固溶强化与溶质和溶剂的原子尺寸因素相关，还与两种原子的电子因素差别和和化学因素差别有关，概括起来就是与合金元素在基体中的溶解度因素有关。高温合金第二相强化第二相质点与位错的交互机制机制：由
5、于两个晶格错配产生的弹性应力场对位错运动施加的阻力；位错切割第二相质点模型，质点本身软强度低，与界面有共格关系，位错可切割通过质点，附加阻力来自：第二相质点与基体间的弹性应力场（共格应力） 、切割质点后表面积增加（表面强化） 、切割后造成层错（层错强化） 、质点与基体弹性模量不同（模量强化） 、质点为有序相切割后成反向畴界面（反向畴有序强化） 、位错通过第二相产生一定角度弯曲（弥散质点强化） ；位错绕过第二相质点的机制，质点强度高，第二相非共格析出，位错弯曲最终绕过质点；在高温蠕变条件下，位错可通过交滑移及攀移通过第二相质点。高温合金的碳化物强化特点：低温下位错以绕过方式通过碳化物第二相，高温
6、蠕变条件下，位错以攀移方式通过；不是所有碳化物都具有强的时效强化能力，要具备一定条件；增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但碳饱和度过高，会形成大块碳化物，引起脆性；强化基体，减小元素扩散能力，对易聚集长大碳化物很重要。高温合金的弥散强化特点：强化机制是绕过机制；氧化物等第二相很稳定，能在高温下具有高的高温强度；合金本身强化很重要；弥散强化合金蠕变曲线平坦，蠕变速率方程应力指数大。高温合金的晶界强化方法：纯洁度和微合金化；晶界控制。高温合金强化工艺途径：形变热处理强化；复相组织强化；单晶体位向与织构控制；快速凝固工艺。3.高温合金韧化途径与机理TCP 相定义：把 、laves 相等脆性相
7、，称为 TCP 相。对力学性影响：形态，长针状或薄片状的 TCP 相，一般是裂纹发源地和迅速扩展的通道；分布，TCP 大量析出于晶界，形成脆性薄膜包围晶粒，使裂纹易于沿晶产生和扩展，使合金沿晶脆性断裂，强度也降低；数量，当 TCP 数量超过某一数值时，不管形态和分布，由于存在，消耗大量固溶强化元素，削弱了基体强度，对塑性和韧性也不利。高温合金韧化途径途径：控制元素含量避免 TCP 相析出；加入适量有益微量元素；控制晶粒尺寸与形状；提高合金纯洁度。5.高温合金表面稳定性及表面强韧化氧化速率表示方法：采用空气中不同温度下 100h 氧化的氧化速率表示抗氧化性好坏。分级：小于 1.0 为完全抗氧化级
8、，0.1 至 1.0 为抗氧化级，1.0 至 3.0 为次抗氧化级，3.0 至 10.0 为弱抗氧化级，大于 10.0 为不抗氧化级。氧化膜常用：Cr 2O3、Al 2O3膜合金元素对高温合金氧化性的影响影响：取决于元素的氧化产物对界面氧化反应的抑制程度。硅：在内层形成二氧化硅，改善循环氧化抗力。钛：增加 -NiAl 上氧化铝的长大速度，不促进 或 基体上氧化铝形成，对镍基合金氧化膜结合力有害，改善 Fe-18Cr-6Al 结合力。难熔金属：是氧的获得者利于氧化膜愈合层形成；降低铝、铬、硅的扩散速率不利于愈合层形成；难熔金属氧化物通常不能防护，它们低熔点、高蒸汽压、高扩散系数。钨、钼、铬影响与
9、难熔合金元素类似。铌：其氧化物不防护。铼：也有与难熔合金元素类似影响。铪、锆：低浓度时改善氧化膜结合力。氧化活性元素：定义：把其氧化物比基体氧化膜更稳定的那些元素，称之为氧化活性元素。作用：改善氧化膜的附着力。在晶界偏聚，改变扩散过程，促进氧沿晶界向内扩散，降低铝或铬向外扩散，使Cr2O3、Al 2O3在合金基体与氧化膜界面生长，减少在此界面空洞生成，减轻氧化膜剥落。涂层第一代涂层-简单铝化物涂层：铝化物在高温氧化时生成致密而牢固的氧化铝膜，阻碍高温氧化继续进行。但 NiAl 相涂层脆性大，易开裂。第二代涂层-多元共渗铝化物涂层：铬 -铝涂层、硅-铝涂层、铂-铝涂层、稀土- 铝涂层。第三代涂层
10、-MCrAlY 包覆涂层：主要由 相和 相组成，与基体扩散很弱。可以根据需要进行设计、调整涂层成分与结构，或加入更多的合金元素。第四代涂层-热障涂层：由金属连接层和陶瓷层组成。不仅防氧化抗腐蚀能力，保证在高环境温度下保持低的基体零件温度，提高合金的使用温度，提高发动机的推力；MCrAlY 结合层可以提供足够的抗高温环境腐蚀能力，并与基体的力学性能相匹配。表面残余应力与喷丸处理机械加工使合金表面引起加工硬化和产生表面残余拉应力，采用喷丸处理。粗晶与表面晶粒细化高温合金涡轮叶片存在粗大晶粒，采用：孕育剂控制表面晶粒；通过再结晶细化表面晶粒。表面损伤与改性高温合金零件表面存在氧化、腐蚀、加工硬化、残
11、余应力、粗糙、粗大第二相等表面损伤，利用激光、离子束等高能束进行改性。主要是：消除表面粗大有害相使成分均匀化；消除表面粗大晶粒使组织微晶化；改变化学成分使表面合金化。6.高温合金热处理铁基和镍基合金热处理固溶处理目的：将碳化物相、粗大的 强化相尽量溶入基体中，以得到单相组织，为以后的时效析出均匀细小的强化相做准备；为了获得均匀的合适晶粒尺寸。选择固溶温度和保温时间应考虑合金的成分，及其使用条件，通常，高温合金的固溶温度为10001200。固溶强化的高温合金，要求塑性和冷热疲劳性能，因此固溶温度较低，保温时间几分到十几分钟，以获得细晶粒。时效沉淀强化的高温合金，当要求高屈服强度和机械疲劳性能，晶
12、粒细小，固溶温度较低，保温时间较长；当要求高持久和蠕变性能，晶粒尺寸较大，固溶温度应较高。固溶处理后夫人冷却速度对以后的时效析出相得颗粒大小有影响。大部分合金固溶处理后采用空冷，少数采用水冷或油冷。高温合金过饱和度大，快速水冷也抑制不住相得析出。采用高温金相显微镜，可确定固溶温度，即测定合金在不同温度，保持一定时间后固溶后的室温硬度值，室温硬度值不变时的最低温度，就确定为合金的固溶温度。中间处理目的：使高温合金晶界析出一定量的各种碳化物相和硼化物相，促进 相的析出，使晶界晶内强度匹配，提高合金持久和蠕变寿命及持久伸长率，改善合金长期组织稳定性。各种碳化物析出温度范围不同，中间处理温度也不同。时
13、效处理目的：在合金基体中析出一定数量和大小的强化相，已达到合金最大强化效果。时效温度随合金元素含量增多而升高，一般在 650 至 980间。随温度升高，元素含量增加，析出量增加。时效温度就是合金的主要使用温度。某些高温合金时效处理分二级或三级进行，目的是调整强化相的大小以获得强度和塑性的最佳配合。钴基合金热处理有固溶、固溶+时效、时效三种。一般只有一级固溶或时效。钴基高温合金主要强化相视碳化物，热处理目的是改善碳化物分布固溶并重新析出更细小的 M23C6颗粒。变形钴基高温合金热处理简单。铸造钴基合金不进行热处理。铸造高温合金热处理铸造合金特点：普通铸造和定向凝固高温合金含碳化物较多，单晶合金碳
14、化物含量极少；铸造合金含有低熔点相，定向凝固合金含有 Hf，使初熔温度降低到 1210以下；铸造合金存在偏析。普通铸造高温合金热处理固溶热处理目的：将粗大 相颗粒全部或部分固溶后在空冷过程中析出更细小 相颗，提高合金高温强度。固溶温度范围 1180 至 1210。当固溶温度使合金中全部粗大 相时，称为完全固溶热处理，否则为不完全固溶处理。一般采用不完全固溶，铸造合金中有 +共晶相和低熔点硼化物相，会使合金初熔温度大大降低。完全固溶能消除偏析，不完全固溶则难以达到。时效处理目的：提高合金中温持久性能，减小性能波动。温度一般为 860 至 950，时间 16 至 32h。T 低，则 t 长；T 高
15、，则 t 短。时效时细小 在 基体内析出，晶界析出二次碳化物颗粒，对中温强度有作用。固溶+时效处理目的：为获得优良的综合性能。时效分一级、二级、三级。合金经涂层扩散处理后无需再进行时效处理。定向凝固高温合金热处理采用固溶热处理获得最佳性能。固溶温度不能超过合金初熔温度，不能进行完全固溶处理，固溶温度通常选在合金初熔温度以下 10 至 20，含 Hf 合金，要在 1100 至 1200预处理，消除低熔点相。在真空炉氩气保护下进行，保温结束，用氩气吹冷却部件。单晶高温合金热处理采用完全固溶处理。固溶温度达到 1260。可起到均匀化处理作用。高温合金退火处理目的：降低材料硬度，提高塑韧性。应力消除处
16、理目的：消除冷热加工铸造焊接过程中产生的残余应力。针对变形高温合金。通常在再结晶温度以下进行。再结晶退火热处理目的：控制晶粒度和最大程度软化。在再结晶温度以上完全再结晶，按固溶热处理规范进行。弯曲晶界热处理目的：增加合金的抗蠕变和持久性能，同时提高合金持久塑性。方法：控制固溶后的冷却速度的控冷处理；固溶后析出相再次固溶的固溶处理；固溶处理后空冷到某一温度下保温，然后再空冷的保温处理。机理：在高温下先析出第二箱，在高温时发生晶界迁移，第二相颗粒钉扎住部分晶界使之不动，而在第二相颗粒间发生晶界迁移，从而形成锯齿形弯曲晶界。7.高温合金熔炼工艺常用熔炼方法对合金化程度低的合金多采用大气下电弧炉及感应炉熔炼，或经大气下一次熔炼后再经电渣炉或真空电弧炉重熔；对合金化程度高的合金采用真空感应炉熔炼，或真空感应炉后再经真空电弧炉或电渣炉重熔。熔炼设备设备：电弧炉、感应炉、真空感应炉、真空电弧炉和电渣炉，还有电子束炉和等离子电弧炉等。工艺原则融化原则8.高温合金铸造技术熔膜精铸定义：采用可熔
