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1、高 温 合 金5.1 5.1 高温合金概述高温合金概述5.2 5.2 高温合金分类和牌号表示法高温合金分类和牌号表示法5.3 5.3 高温合金的强化高温合金的强化概念：概念： 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600以上的以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。性能特点：性能特点： 高温合金具有较高的高温强度；高温合金具有较高的高温强度； 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；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。良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。组织特点组织特点： 高温合金为单一基体组织，在各
2、种温度下具有良好的高温合金为单一基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。组织稳定性和使用可靠性。1 1 高温合金概述高温合金概述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。1937年：德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世。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。194
3、2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。 国外高温合金发展状况国外高温合金发展状况1932年：美国年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金开发了含铝、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。，用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。1941年：美国开始发展航空燃气涡轮。年：美国开始发展航空燃气涡轮。1942年：年：Hastelloy B镍基合金用于镍基合
4、金用于GE公司的公司的Bellp-59喷气发动机喷气发动机及其后的及其后的I-40喷气发动机。喷气发动机。1944年：西屋公司的年：西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金发动机采用钴基合金HS 23精密精密铸造叶片。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。美国的被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、公司、GE公司和特殊金属公司公司和特殊金属公司分别开发出了分别开发出了Waspalloy、M-252和和Udmit 500等合金。并在这些合等合金。并在这些合金发展基础上，形成了金发展基础上
5、，形成了Inconel、Mar-M和和Udmit等牌号系列。等牌号系列。 二十世纪二十世纪4040年代年代5050年代中期：年代中期： 调整、优化合金成分，提高合金性能。调整、优化合金成分，提高合金性能。二十世纪二十世纪40 40 年代：年代： 真空熔炼去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，真空熔炼去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如如Mar-M200Mar-M200、In100In100和和B1900B1900等高性能的铸造高温合金。等高性能的铸造高温合金。二十世纪二十世纪6060年代：年代： 定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、定向凝固、单晶合金、粉末冶金、
6、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究开发。等温锻造等新型工艺的研究开发。 定向凝固工艺定向凝固工艺所起的作用尤为重要，采用定向凝固工艺制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出的单晶合金，其使用温度接近合金熔点的9090，至今，各国，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。先进航空发动机无不采用单晶高温合金涡轮叶片。制造工艺在发展高温合金中的作用制造工艺在发展高温合金中的作用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WP5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4
7、10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，WP5发动机用的GH4033 (DH437B)、K412合金相继试制成功。1960年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等高温合金我国高温合金发展历程我国高温合金发展历程上世纪上世纪70年代初：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，质量达到或超过前苏联标准和实物水平。前苏联标准和实物水
8、平。 我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成为上世纪六七十年代的主线。为上世纪六七十年代的主线。 至上世纪至上世纪70年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达33个，个，其中我国独创的达其中我国独创的达18种。大量应用至今的有种。大量应用至今的有GH l l40、GH2135、GH35A和和K213等等4种合金。种合金。上世纪上世纪70年代后：年代后： 引进欧美发动机引进欧美发动机WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生，并研制生产产WP13等发动机，引进和试制了一批欧美体系的高温合金，等发动
9、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。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。等。 40多年来多年来，研究、试制和生产了，研究、试制和生产了100多种高温合金，总计产量多种高温合金，总计产量达达6万万t左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量的电渣炉、的电渣炉、17t大型真空电弧炉、大型真空电弧炉、200kg真空电子束炉
10、以及大型真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。 国际公认的工艺技术：国际公认的工艺技术：低偏析新技术低偏析新技术和和加镁微合金化技术加镁微合金化技术。 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制了一系列低偏析合金，其承温能力比原型合金高2025。 在国外加在国外加Mg净化材质和改善热加工性能基础上，我国上世纪净化材质和改善热加工性能基础上，我国上世纪七八十年代进一步发现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的偏聚晶
11、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。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。相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金。 外部质量外部质量： 外部轮廓形状、尺寸精度、表面缺陷清理方法。外部轮廓形状、尺寸精度、表面缺陷清理
12、方法。 锻制圆饼：鼓形、无歪扭；锻制或轧制棒材不圆度锻制圆饼：鼓形、无歪扭；锻制或轧制棒材不圆度直径偏差直径偏差的的7070，弯曲度，弯曲度 6mm/1000mm 6mm/1000mm；热轧板材不平度；热轧板材不平度l0mm/1000mml0mm/1000mm。内部质量内部质量： 化学成分、组织、力学及物理和化学性能等。化学成分、组织、力学及物理和化学性能等。 化学成分化学成分：除主元素外，对氧、氢、氮及铅、铋、锡、锑、：除主元素外，对氧、氢、氮及铅、铋、锡、锑、银、砷等含量都有要求。高温合金分析元素达银、砷等含量都有要求。高温合金分析元素达2020多种，单晶高温多种，单晶高温合金分析元素达合
13、金分析元素达3535种。铋、硒、碲、铊等含量种。铋、硒、碲、铊等含量1010-6-6。 组织组织：低倍和高倍组织、高温下组织稳定性的数据：低倍和高倍组织、高温下组织稳定性的数据（铸态、铸态、加工态或热处理态、高温长期时效后相应的力学性能加工态或热处理态、高温长期时效后相应的力学性能），其检测，其检测项目有晶粒度、断口分层、疏松、晶界状态，夹杂物的大小和分项目有晶粒度、断口分层、疏松、晶界状态，夹杂物的大小和分布，纯洁度等。布，纯洁度等。 高温合金的质量要求：高温合金的质量要求：力学性能力学性能： 室温及高温拉伸性能和冲击韧性、高温持久及蠕变性能、硬室温及高温拉伸性能和冲击韧性、高温持久及蠕变性
14、能、硬度、高周和低周疲劳性能、蠕变与疲劳交互作用下的力学性能，度、高周和低周疲劳性能、蠕变与疲劳交互作用下的力学性能，抗氧化和抗热腐蚀性能。抗氧化和抗热腐蚀性能。高温合金物理常数高温合金物理常数： 密度、熔化温度、比热、热膨胀系数和热导率等。密度、熔化温度、比热、热膨胀系数和热导率等。用户还对生产过程进行控制用户还对生产过程进行控制： 对生产中的原材料、生产工艺、生产设备和测量仪表、操作对生产中的原材料、生产工艺、生产设备和测量仪表、操作工序和操作人员素质。生产和质量管理水平等进行考核和工序和操作人员素质。生产和质量管理水平等进行考核和“冻结冻结”。 合金转厂需经有关航空生产工程来源批准，生产
15、出的合金必合金转厂需经有关航空生产工程来源批准，生产出的合金必须检验三炉批全面性能，并检查主要生产工序中半成品质量。须检验三炉批全面性能，并检查主要生产工序中半成品质量。 新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞。新研制的合金还需经地面台架试车和空中试飞。航空发动机：航空发动机： 现代航空发动机中用量占发动机总量的现代航空发动机中用量占发动机总量的4060，主要用，主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。火箭发动机及燃气轮机高温热端部件火箭发动机及燃气轮机高温热端部件： 上世纪上世纪70年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通
16、运年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。耐磨和耐腐蚀性能。 目前美国高温合金总产量约为每年目前美国高温合金总产量约为每年2.33.6万万t，大约，大约1213应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，主要要求不是高应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，主要要求不是高温下的强度，这些合金的成分以镍、铁或钴为基，并含有大约温下的强度，这些合金的成分以镍、铁或钴为基，并含有大约2035的铬，大量的钨、钼等固溶强化元素，而铝、钛等的铬，大量的钨、钼等固溶强化元素，而铝、钛等形成形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。元素则要求含量甚少或者根本不加入。高温合金的用途高温合金的用途用于特殊工程场合如必需腐蚀或用于特殊工程场合如必需腐蚀或耐热等
