高温合金（HP系）的简要介绍晁代义 v高温合金（HP系）的背景介绍vHP系合金的国内研究现状v主要合金元素对HP合金氧化行为的影响 vHP40合金时效处理前后的相变化vHP系合金的焊接vHP系合金的性能vHP系合金的应用 高温合金（HP系）的背景介绍l高温合金的定义 高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能在600-1200的高温及一定的压力作用下长期工作的一类金属材料l高温合金的应用价值 高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化性能、抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能从而广泛的应用于航空航天、发电设备、及石油、化工等高新技术领域l高温合金的分类 u按基体分类 1 镍基高温合金 2钴基高温合金 3铁基高温合金u按合金强化类型分类 1 固溶强化型合金 2时效沉淀强化型合金u按材料成型方式分类 1变形合金 2铸造合金（普通铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等） 3粉末冶金 u高温合金的发展历程图 1 研究高温合金的研究方法v金相显微镜对产生的断口进行观察、金相显微镜对产生的断口进行观察、扫扫描电、镜透射电镜扫描断口形貌、描电、镜透射电镜扫描断口形貌、 X射射线衍射仪对合金相结构进行分析等一些线衍射仪对合金相结构进行分析等一些分析方法。
分析方法 HP合金的简介vHP系列高温合金属于美国铸造（ACI）耐热合金，1960年开始以HP作为成分基础对该类合金开展研究工作该材料多用于石化装置的高温部件上，如转化炉管、辐射管、合金炉管等，其具有良好的耐腐蚀性能、抗高温蠕变断裂性能、抗热疲劳性能、抗氧化性能以及抗渗碳性能等 HP系基体的化学成分成分%合金CSiMnSCrNiMo+NbP+CoFeHP0.35-0.752.50-≤0.0324-2833-37--余表 1 1960年开始以HP(Cr25Ni35基)作为成分基础对该类合金进行研发，该类合金应用了碳化物形成元素（Nb、Mo、Ti、W、Zr）和非碳化物形成元素（Al、Cu、Co）一起加入以便提高合金强度和抗渗碳性一种最成功的且应用广泛的改良型HP合金含0.5%-1.5%的Nb 国内目前对HP40-Nb（乙烯裂解炉的炉管等）的研究主要是应用性质的及其铸件运行N小时后的性能分析，估算工件的剩余时间 vHP合金可以根据用户的不同要求衍生出很多新型合金，衍生的HP合金在本质上可分为两类v第一类主要通过添加Nb和W来改进蠕变断裂性能，而第二类则是在第一类的基础上进一步加入Ti等微合金元素。
微合金化的HP第二类合金比第一类HP合金具有更高的断裂性能 图 2 1 HP系列耐热合金的化学成分合合 金金化学成分化学成分%备注注CMnSiCrNiMoWNbCoTiFeHP0.35-0.752.5024-2833-37 平平衡衡HP-50WZ0.45-0.552.5024-2833-37HP-50WZ中中W4-6%,Zr0.1-1.0%S、、P均均小于小于0.035%HP-Nb0.451.01.025351.25HP-Nb-Si0.451.01.725351.25HP-Nb-LC0.151.01.025351.3HP-Nb-Ti0.501.01.02635 0.50.1-0.3HP-Nb-W0.401.01.525351.51.5HP-Nb-W-Mo0.451.01.625350.51.31.3HP-Mo0.451.51.525360.3HP-W0.451.01.526364.0HP-W-Co0.500.51.326355.015 我国铸造耐热合金化学成分我国铸造耐热合金化学成分——HP系列系列牌号化学成分%CSiMn CrNi Mo WNbSiPTiZG45Ni35Cr250.40-0.50≤2.00≤2.0024-2833-37≤0.50≤0.04≤0.04ZG40Ni35Cr25Nb0.35-0.45≤2.00≤2.0024--2732-370.6-1.5≤0.03≤0.03ZG40Ni35Cr25NbW0.35-0.45≤2.00≤2.0024--2732-371.0-2.01.0-2.0≤0.03≤0.030.1-0.5 v很据我这半年所看的文献：兰州理工大学的有色金属新材料重点实验室对该合金掺杂Al元素进行过深入的研究。
研究表明合金中掺杂5%Al能够明显提高其综合性能一些石油公司的研究人员也对以该合金为材料的石油化工高温炉管进行研究国内徐自立教授等人对HP-Nb、HK离心铸管的高温持久性能进行了研究等 主要合金元素对HP系合金氧化行为的影响 vHP合金的合金元素含量高，特别是Cr和Ni含量，这种元素组合使HP不仅抗高温氧化 而且也抗渗碳气体的腐蚀、持久性好vCr：改善抗氧化性能，长时使用时抗氧化温度不超过950℃；降低碳侵入而提高合金抗渗碳能力；改善抗硫化能力，在金属表面形成的氧化膜是致密的尖晶石型NiCr2O4（主要是Cr2O3），这种氧化膜在金属表面覆盖紧密、晶体结构较完整、空位数量少与金属结合牢固 vNi：合金中的Ni能有效的扩大γ相区，稳定奥氏体，抑制σ相析出，改善合金的力学性能和加工性能在抗氧化性能方面Ni也是有利的vC：C与Cr，Mo，Ti，V，Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC在高温时效过程中，基体中过饱和的固溶碳以细小弥散的M23C6析出，从而提高合金的强度另外增加碳含量还能抑制σ相析出但碳含量过高，二次碳化物大量析出，会降低合金的韧性、恶化焊接性HP型合金中C不超过0.50% vCo：除了像Ni一样能稳定σ外，它还能减缓碳化物析出，并阻止碳化物聚集长大，从而提高合金的抗蠕变强度。
vMg，Ca:它们具有脱氧去硫作用，同时能填补晶界空位，影响晶界碳化物的行为，从而改善高温蠕变性能和塑性vAI：适量的铝可使焊缝金属组织细化，减少晶界低熔点相偏析，从而提高焊缝的高温性能 l Pb、Sn、As、Sb、 Bi等低熔点金属多分布在晶界上，降低合金的耐热强度和持久寿命，进口炉管中Pb<0.002%为了减少上述有害元素，必须严格控制原材料的成分vNb、Ti、V、Zr、我、W、Mo和稀土元素：他们优先于Cr形成碳化物、预防碳化铬等低熔点、低强度σ相（正方晶系）得大量析出、细化M23C6使其均匀弥散分布，起到固溶强化作用抑制C的扩散速度、改变晶界碳化物形态、延迟碳化物粗化过程，从而提高合金的高温蠕变强度但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能，并促进σ相析出，降低合金的强度和韧性 尤其是Mo量对σ相析出的影响相当于等同含Cr量四倍的作用lSi：Si是冶炼时必要的脱氧剂（硅铁），可以提高刚液在铸造时的流动性，加入适量的Si对有助于提高合金的抗氧化性Si于O的结合力大于Cr，所以在氧化气氛中合金表面容易形成SiO2氧化薄膜，由于它的扩散系数小，从而提高钢在高温时的抗氧化性能和抗渗碳性能Si在Ni含量较高的环境易产生偏析，在晶界上以形成低熔点共晶物，导致焊接热裂纹倾向，恶化钢的焊接性能。
一般裂解炉管Si含量控制在1.50%-2.00%，Si还是促进σ相析出的元素lMn：Mn是扩大奥氏体相区元素，与S生成球化MnS，可消除S的危害，也能改善焊接性能但却能促进σ相析出，加入量过多能降低合金的抗氧化性能一般控制在1.5%以下 HP40合金时效处理前后的第二相变化vHP40是奥氏体耐热不锈钢，初始相是单一奥氏体组织γ，对σ相不敏感显微组织是有奥氏体母体加大量一次碳化物（ M7C3 ）组成vHP40离心铸造管有液态平衡冷却时 相有γ和M7C3的共晶体，温度降低M7C3向M23C6转变，但是由于冷却时间短使M7C3向M23C6转变来不及，所以其室温组织为奥氏体（A）+骨架状共晶碳化物（主要M7C3 ）经过时效处理（长期高温运行）后铸态由非平衡组织向平衡组织转变，有M7C3向M23C6的转变、奥氏体（A）中析出二次碳化物和σ相等 HP系合金的焊接vHP-40Nb炉管为铸态奥氏体钢存在较大的热裂纹倾向，由于奥氏体钢的热导率小，线膨胀系数大，焊接过程中在局部加热和冷却的条件下，焊接接头可形成较大的拉应力在考虑焊接后焊缝、母材、熔合区融合良好，选用焊接材料时要以其化学成分、力学性能与所焊接材料相当为原则。
v由于材料中Cr、Ni含量较高，在施焊过程中极其容易形成难溶的Cr2O3等氧化物，影响焊接的质量，因此我们要加强氩气保护焊接过程中焊丝端头应始终处于氩气的保护气氛中，否者就要剪掉被氧化的焊丝端头具体的焊接方法参考该合金的焊接工艺手册vHP合金铸件可以选用电弧焊、氩弧焊、氧-乙炔焊等焊接方法，焊接材料选用WLE、TIG、35C焊材，HP40Nb焊条，25-35Nb焊丝及R-P2焊丝等 v焊接接头在焊接过程中容易形成以下三种晶间腐蚀v1 焊缝晶间腐蚀：由于晶界析出了铬的碳化物，从而在晶界形成薄的贫铬层引起的v2 敏化区腐蚀：焊接热影响区中北加热的温度处于敏化温度区间，金属发生晶间腐蚀的现象v3近缝区刀状腐蚀：焊接接头处在450-850℃范围的时间越长，则析出的碳化铬量越多，碳化铬在晶界析出，碳化铬附近母材中铬贫乏，使得晶界区形成贫铬层，在腐蚀介质中即会引起晶间腐蚀 HP系合金的性能vHP系合金具有很好的耐腐蚀性能、抗高温蠕变断裂性能、抗热疲劳性能、抗氧化性能、抗渗碳性能以及良好的铸造性能、机械加工性能和焊接性能，由于这些优异的性能，HP耐热合金在石油化工行业成功地应用于乙烯蒸汽裂解炉炉管、制氢、合成氨和甲醇催化转化管及其它加热炉、热解炉等部件，也成功的应用航空发动机、钢铁冶金及热处理行业的辐射管、炉底辊等各种部件。
因此它也是铸造耐热合金中生产应用虽多的一类合金下面我们来了解一些它的性能 u力学性能 1.力学性能：材料抵抗外力与变形所呈现的性能 铸造耐热合金的力学性能包括室温下的力学性能和高温短时力学性能 vHP系列合金的高温短时拉伸性能随实验温度的变化而变化：温度提高，抗拉强度和屈服强度降低，而伸长率和断面收缩率提高 铸造耐热合金的室温拉伸性能和硬度铸造耐热合金的室温拉伸性能和硬度合金合金条件条件拉伸性能拉伸性能硬度（硬度（HB））σb∕MPaσs∕MPaδ∕%HPC49027511170HP-NbC51727612181HP-Nb-LCC60628344--HP-Nb-TiC53125512185HP-Nb-WC53829613--HP-Nb-W-MoC52525011181HP-MoC59231713181HP-WC52431013185HP-W-CoC5103038185 v表格中列出了HP系列合金的室温下的最小拉伸性能及其硬度指标，这些性能对于质量控制很有用，而对于高温服役铸件的性能来讲关系不大这些数据只能用于规范，因为在同一铸件的不同位置，有不同的测量值，这些数据显示出一个很宽的范围，由于铸件的截面厚度不同、浇注温度和凝固特性不同所造成的。
HP系合金高温短时拉伸性能合金合金760℃870℃980℃σb∕MPaσ0.2∕MPaδ∕%σb∕MPaσ0.2∕MPaδ∕%σb∕MPaσ0.2∕Mpaδ∕%HP29620015179121271007646HP-Nb3101382219397361106648HP-Nb-Si30314520193110291176234HP-Nb-Ti3171382619311041976249HP-Nb-W-Mo31715926200110401106250HP-Mo2141453215210360HP-W2282115937HP-W-Co2481931816512421 图 3 v铸造耐热合金的高温短时拉伸性能虽实验的变化而变化：随温度升高，抗拉强度（σb）和屈服点（σ0.2）降低，而伸长率δ提高v图3 显示出HP铸钢的断面收缩率随温度的升高而提高 u蠕变及持久性能vHP合金的蠕变性能：vNb、Ti、V能形成碳氮化物，改变晶界碳化物形态；B、Zr稀土抑制晶界硫，氧偏析和强化晶界，从而提高蠕变断裂强度vCo是通过抑制碳化物析出提高蠕变强度Al则形成AlN促进σ形成和粗化降低蠕变强度v Mg，Ca它们具有脱氧去硫作用，同时能填补晶界空位，影响晶界碳化物的行为，提高了蠕变强度。
HP合金的持久强度 Si和Mn都能促进σ相析出元素，加入量过多，会降低持久寿命 Pb、Sn、Bi、As、Sb等低熔点金属多分布在晶界上，降低合金的持久寿命 u抗氧化和高温腐蚀性能v影响铸造耐热合金腐蚀行为的一个重要因素就是Cr含量铬形成氧化膜而使合金抗氧化和硫化其也必须具有良好的抗渗碳性耐热合金最常遇到的气氛是空气、流动燃气、工业气氛 v1.抗氧化性vHP合金在高温下抗氧化和抗渗碳性都很好，合金的抗氧化能力随Cr含量的增大而增大，对于使用温度高于1050℃的苛刻环境，Cr要达到25%甚至更高vNi、Al、Si、Mn能够促进不透性氧化膜的形成，从而提高抗氧化性热循环对抗氧化性影响很大 v2.抗渗碳性v影响因素：v（1）合金元素，Nb、W、Mo、和Si，提高Ni和/或Cr的含量都能提高抗渗碳性协同加入W、Nb、Ti、Zr和稀土会较大改善抗渗碳性v（2）温度影响，随温度升高，碳和合金元素的扩散能力大大提高，渗碳速率也大大提高炉管每提高56℃，渗碳速率提高一倍 v（3）表面加工的影响，机械加工去除铸造表面疏松层可有效提高抗渗碳性能v（4）炉管宏观组织的影响v有报道：柱状晶比等轴晶抗渗碳性好。
HP系合金的应用vHP系列合金一般在石化行业应用很广泛，石化设备工况复杂，工作条件差别很大，所接触的介质十分不同，工作范围广，因而对材料的要求十分严格v乙烯裂解炉所用高温合金要求：优异的抗高温氧化、抗渗碳能力、抗硫腐蚀、抗钒腐蚀等，高温强度较高v转化炉的高温合金要求：优异的高温抗氧化性能和高温力学性能（主要是高温持久强度）抗硫腐蚀、抗钒腐蚀等 HP类高温合金在石化装置中的几种应用类高温合金在石化装置中的几种应用应用设备合金介质腐蚀破坏形式炼油装置：制氢炉管及出口猪尾管、集气管HP原料烃、水、氢、CO、CO2、CH4等/烟气合成氨装置：一段转化炉：炉管及出口管Cr25Ni35类原料烃、水、氢、CO、CO2、CH4、N2/烟气过热引起高温氧化、蠕变-断裂、鼓胀变形乙烯裂解炉、转化炉Cr25Ni35类烃+稀释蒸汽、裂解气/烟气炉管渗碳、开裂、变形、弯头磨蚀、热疲劳、外壁氧化腐蚀及烧熔等 vHP系合金以其优良的性能将会得到广泛的应用，特别是以Cr25Ni35基为成分基础的改良型钢种我们的课题组已经对HP40合金的高温变形行为进行了研究，下一步将继续对该合金进行研究 2 HP系列合金的蠕变断裂性能系列合金的蠕变断裂性能合金合金温度温度/℃100000h产生产生0.0001%/h的蠕变的蠕变应力应力MPa100000h产产生断裂生断裂的应力的应力/Mpa合金合金温度温度/℃100000h产生产生0.0001%/h的蠕变的蠕变应力应力MPa100000h产产生断生断裂的裂的应力应力/MpaHP-Nb76063.4HP-Nb-W-Mo76056.586033.186027.698019.313.898013.810.810954.310955.43HP-Nb-Si760HP-W7606.462.786029.486038.632.198017.710.898017.913.210953.210955.14HP-Nb-Ti760HP-W-Co76086040.786034.53198019.316.598015.212.110955.310954.85.2 。