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1、镍基高温合金镍基高温合金21. 1. 高温合金简介高温合金简介f高温合金是指能在 600-1200高温下仍能保持设计要求正常工作的金属材料，它在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变和良好的疲劳特性。f高温合金特点：f 耐高温f 具有较高的强度f 具有良好的疲劳性质f 具有较高的断裂韧度f 具有良好的组织稳定性f 具有较强的抗氧化抗热腐蚀性能f 具有可靠的使用性能3f 高温合金分类：f 变形高温合金f按制造工艺 铸造高温合金f 粉末冶金f 铁基高温合金f按合金主要元素 镍基高温合金f 钴基高温合金f 固溶强化f按强化方式 时效强化f 氧化物弥散强化f 晶界强化4f 镍基高温合金优点：成本低，可用于一
2、些使用温度较低的航空航天发动机和 工业燃气机的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件和紧固件。缺点：组织不够稳定；抗氧化性差；工作温度较低铁基高温合金优点：可溶解较多的元素，具有良好的组织稳定性、高温强 度和抗腐蚀性，工作温度较高。缺点：疲劳性能稍差，塑性较低钴基高温合金优点：较高温度下仍具有高强度和抗热疲劳性能缺点：中低温工作性能不如前两种高温合金52. 2. 镍基高温合金镍基高温合金f1。Fig. 2.1 Development of Ni-base superalloys6 镍基高温合金的基本组织类型有：奥氏体基体（高度合金化固溶体）； 弥 散 分 布 于 基 体 中 的 碳 化 物 或 金
3、属 间 化 合 物 相 ， 如 相Ni3（Al,Ti）和相（NiNb，NiTa）；或高熔点稳定化合物质点（由粉末冶金或机械合金化方法制得）2。图2.2为GH4169的金相显微组织结构图。Fig.2.2 Microstructure of super alloy GH41697 镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构，其晶体结构从室温至熔点的温度区间内始终保持面心立方结构不变，同时，许多合金元素都可以固溶到镍基材料中进行充分的合金化，因此镍具有作为高温合金基体元素的优越属性，同时镍镍基基高高温温合合金金中中可可以以析析出出 L12L12结结构构相相，这是镍基高温合金中最有效的强化方式，使得镍基
4、高温合金具有优良的综合性能。 在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更更高高的的高高温温强强度度和和组组织织稳稳定定性性，被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件材料。在目前的先进发动机上，镍基高温合金的使用量已占发动机总重量的一半以上3。8 镍基高温合金的可加工性取决于决定合金耐热强度的化学元素。组成镍基合金基体成分之一的镍，并不影响可加工性。 镍基高温合金中的硼和铈起强化晶界的作用，带来了加工性的变坏。钛和铝会和镍元素形成金属相Ni3（Al、Ti），钛和铝的含量增加导致强化相的增加，合金中金属间相的增加提高了合金塑性变形时的抗剪切
5、强度及金属加工过程中的切削温度。此外，合金中相的增加也增加了粘附抗剪切强度和合金的抗磨蚀作用4，从而降低了镍基高温合金的切削性能。93. 3. 单晶高温合金单晶高温合金 普通铸造多晶高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温变形的薄弱环节，裂纹极易在此萌生并成为裂纹扩展的通道。如果晶界与应力主轴方向平行，高温下作用在晶界上的应力将会最小，从而抑制裂纹形核增加蠕变持久寿命。在这种思路下，逐渐研究出具有优异的中、高温蠕变持久强度和塑性，而且具有优异热疲劳性能的单晶高温合金。 单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同作用的结果。10 单晶高温合金的成分特点：C, B, Hf从“完全去除”转为“限量使
6、用”。微量(0.1%)的Hf可以提高涂层寿命和抗氧化/腐蚀性能。C元素具有净化合金溶液，对抗腐蚀性能也有好处。难熔元素(Ta, Re, W, Mo)的加入总量增加Ta增加/错配度、强化相和提高其高温稳定性。Ta元素的加入使的合金的坏境性能、涂层性能、铸造性能和组织稳定性都得到改善5Re在基体中形成Re原子团，阻碍位错运动，降低合金元素扩散速率，阻止相粗化，并提高/错配度。Cr含量降低Cr元素对合金的抗热腐蚀性能具有非常重要的影响；Cr含量降低，就允许加入更多其它的有助于提高合金性能的元素，而且仍能保持组织的稳定，对合金性能的提高极为有利。Co 的作用固溶强化和增加相数量，同时改善合金的塑形以及
7、热加工性能，并对合金组织稳定性有一定的提高。Co 在相中有较大的固溶度，能够降低基体的层错能，使得合金的持久强度和抗蠕变能力显著提高。11 Kakehi6发现镍基单晶高温合金在蠕变过程中表现出拉压不对称性，但不同于屈服强度的不对称性，其不对称性被归结为是否产生孪晶。001和011取向均可产生孪晶，因而持久性能具有拉压不对称性，而111方向的持久过程只与位错的运动有关，所以无此特征。单晶高温合金具有各向异性，即蠕变性能与晶体取向密切相关。124. 4. 镍基高温合金的应用镍基高温合金的应用 镍基高温合金可以用来制造航空喷气发动机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的热端部件，如工作叶片、涡轮盘和燃烧室等
8、。13参考文献参考文献f1 Reed R C.The Superalloys Fundamentals and Applications. London: Cambridge University Press,2006.f2 Liu G., He N., Li L.and Man Z. L. Cutting forces during the high speed machining of Inconel 718. Key Engineering Materials, 2004, 259-260: 824-828.f3 Trea M. Pollock, Sammy Tin. Nickel-Ba
9、sed Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry,Microstructure, and Properties. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(2): 361374.f4 Choudhury I.A. and El-Baradie. M.A. Machinability assessment of inconel 718 by factorial design of experiment coupled with response surface methodology. Jou
10、rnal of Materials Processing Technology, 1999, 95: 30-39.f5 Jian Zhang. Effect of Ti and Ta on hot cracking susceptibility of directionally solidified Ni-based superalloy IN792. Scripta Materialia, 2003, 48(6): 677681.f6 D. Leidermark, J.J. Moverare, S. Johansson, K. Simonsson, S. Sjstrm. Tension/compression asymmetry of a single-crystal superalloy in virgin and degraded condition. Acta Materialia, 2010,58(15): 49864997.14
