發(fā)布時(shí)間： 2021-08-07 點(diǎn)擊次數(shù)： 828次
傳統(tǒng)的劃分高溫合金材料可以根據(jù)以下3 種方式來(lái)進(jìn)行: 按基體元素種類(lèi)、合金強(qiáng)化類(lèi)型、材料成型方式來(lái)進(jìn)行劃分。
1、按基體元素種類(lèi)
⑴鐵基高溫合金
鐵基高溫合金又可稱(chēng)作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素，加入少量的Ni、Cr 等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。
⑵鎳基高溫合金
鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1 000℃以上的工作條件，采用固溶、時(shí)效的加工過(guò)程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強(qiáng)度大幅提升。就高溫環(huán)境使用的高溫合金來(lái)分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠(yuǎn)超過(guò)鐵基和鈷基高溫合金用處。同時(shí)鎳基高溫合金也是我國(guó)產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金． 很多渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀(jì)40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應(yīng)該說(shuō)，這一巨大提升也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發(fā)展。
⑶鈷基高溫合金
鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時(shí)需要加入Cr、Ni 等元素來(lái)提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個(gè)國(guó)家鈷資源產(chǎn)量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件( 600 ～ 1 000℃) 和較長(zhǎng)時(shí)間受極限復(fù)雜應(yīng)力高溫零部件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時(shí)添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其*的抗熱抗疲勞性。
2、合金強(qiáng)化類(lèi)型
根據(jù)合金強(qiáng)化類(lèi)型，高溫合金可以分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金。
⑴固溶強(qiáng)化型
所謂固溶強(qiáng)化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質(zhì)原子使固溶體基體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強(qiáng)化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯(cuò)能，提高位錯(cuò)分解的傾向，導(dǎo)致交滑移難于進(jìn)行，合金被強(qiáng)化，達(dá)到高溫合金強(qiáng)化的目的。
⑵時(shí)效沉淀強(qiáng)化
所謂時(shí)效沉淀強(qiáng)化即合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金，在650℃的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1 000 MPa，制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃。
3、材料成型方式
通過(guò)材料成型方式劃分有:鑄造高溫合金( 包括普通鑄造合金、單晶合金、定向合金等) 、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金( 包含普通粉末冶金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金)。
⑴鑄造高溫合金
采用鑄造方法直接制備零部件的合金材料叫鑄造高溫合金。根據(jù)合金基體成分劃分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金3 種類(lèi)型。按結(jié)晶方式劃分，可以分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4 種類(lèi)型。
⑵變形高溫合金
仍然是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用最多的材料，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都比較廣泛，我國(guó)變形高溫合金年產(chǎn)量約為美國(guó)的1 /8
[2] 。以GH4169 合金為例，它是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用范圍最多的一個(gè)主要品種． 我國(guó)主要在渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓、壓縮機(jī)及輪、甩油盤(pán)作為主要零件，隨著其他合金產(chǎn)品的日益成熟，變形高溫合金的使用量可能逐漸減少，但在未來(lái)數(shù)十年中仍然會(huì)是占主導(dǎo)地位。
⑶新型高溫合金
包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域．
①第三代粉末高溫合金的合金化程度提升，使其兼顧了前兩代的優(yōu)點(diǎn)，獲得了更高的強(qiáng)度較低的損傷，粉末高溫合金生產(chǎn)工藝日趨成熟，未來(lái)可能從以下幾個(gè)方面開(kāi)展: 粉末制備、熱處理工藝、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、雙性能粉末盤(pán);
②鈦鋁系金屬間化合物已經(jīng)開(kāi)發(fā)到第四代，逐步向著多元微量和大量微元這兩個(gè)方向拓展，德國(guó)的漢堡大學(xué)，日本京都大學(xué)，德國(guó)的GKSS 中心等都進(jìn)行了廣泛的研究，鈦鋁系金屬間化合物現(xiàn)已應(yīng)用于船舶、生物醫(yī)用、體育用品領(lǐng)域;
③氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金是粉末高溫合金一部分，正在生產(chǎn)研制的有近20 余種，具有較高的高溫強(qiáng)度和低的應(yīng)力系數(shù)，廣泛的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)耐熱抗氧化部件、先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化工反應(yīng)釜等；
④耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，應(yīng)用于建筑及航天航空領(lǐng)域。
1、GH4169高溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種最復(fù)雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時(shí)，也是所有高溫合金中最為注目的一種合金。它的相對(duì)使用溫度在所有普通合金系中也是最高的。先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中這種合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由國(guó)際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公開(kāi)介紹的時(shí)效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強(qiáng)化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和良好的塑性，具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定，成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能，被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片、渦輪盤(pán)、渦輪軸、機(jī)匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等
[3] 。
我國(guó)于70年代開(kāi)始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤(pán)件，使用時(shí)間比較短，所以采用真空感應(yīng)加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開(kāi)始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，提高和改進(jìn)材料質(zhì)量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當(dāng)前GH4169合金的主要研究方向?yàn)椋?/div>
（1）改進(jìn)冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序穩(wěn)定操作，使合金顯微組織更加均勻，從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強(qiáng)度以及抗裂紋擴(kuò)展止裂能力，提高低周疲勞強(qiáng)度等；
（2）改進(jìn)熱處理工藝。熱處理工藝不能很好的消除鋼錠中心的偏析，所以對(duì)組織的均勻性有不利影響，因此采用合理的均勻化退火工藝，得到細(xì)晶坯料成為主要研究方向之一；
（3）改進(jìn)使用設(shè)計(jì)。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)；
（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的長(zhǎng)壽命要求，對(duì)于提高GH4169合金長(zhǎng)期時(shí)效組織穩(wěn)定性方面也是至關(guān)重要的。
2、單晶高溫合金
單晶合金材料已發(fā)展到第四代，承溫能力提升到1140℃，已近金屬材料使用溫度極限。未來(lái)要進(jìn)一步滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，葉片的研制材料要進(jìn)一步拓展，陶瓷基復(fù)合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。
單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，普通復(fù)雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間。從單晶實(shí)心葉片到單晶空心葉片、到高效氣冷復(fù)雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復(fù)雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認(rèn)、模具設(shè)計(jì)到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時(shí)間。但單晶葉片由于其復(fù)雜的服役環(huán)境，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，一般一種普通結(jié)構(gòu)的單晶空心葉片從研制出來(lái)以后到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用需5～10年的時(shí)間，有的隨發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度，甚至需要15年或更長(zhǎng)的時(shí)間
[4] 。
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