鎳基高溫合金

時間:2011-04-20 08:17:06 來源:未知

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鎳基高溫合金的發展趨勢

以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。

發展過程

鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術的發展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發展趨勢見圖1。

成分和性能

鎳基合金是高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩定性；二是可以形成共格有序的 A₃B型金屬間化合物g'[Ni₃(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。

固溶強化型合金
具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應力不大(每平方毫米幾公斤力，見表1)的部件，如燃氣輪機的燃燒室。
沉淀強化型合金
通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應力較高(每平方毫米十幾公斤力以上，見表2) 的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等(圖2)。

此外，鎳基合金也可用做航天器、火箭發動機、核反應堆、石油化工和能源轉換設備等的高溫部件。在現代飛機發動機中，渦輪葉片幾乎全部采用鎳基合金制造。

燃氣輪機渦輪零件

圖3 鎳基高溫合金的組織和性能的發展

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圖4 鎳基高溫合金中的s相(針狀相)

圖5 鎳基鑄造高溫合金的宏觀組織和蠕變性能 a.常規鑄造等軸晶、b.定向結晶柱狀晶 c.單晶

組織

鎳基合金的顯微組織特點及其發展情況見圖3，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的g'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：g'相數量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現尺寸和形態不相同的g'相。在鑄造合金中還出現在凝固過程中形成的g+g'共晶，晶界析出不連續的顆粒狀碳化物并被g'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。

現代鎳基合金的化學成分十分復雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素(尤其是主要強化元素)的含量嚴加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如s、µ相(圖4)，損害合金的強度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發展出了定向結晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片(圖5)。定向結晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進一步改善了合金的綜合性能。

生產工藝

鎳基合金，特別是沉淀強化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應爐熔煉，并經真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。

變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態和良好的綜合性能。

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鎳基高溫合金

發展過程

成分和性能

組織

生產工藝

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