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第八章有色金属及其合金第八章有色金属及其合金镍基高温合金镍基高温合金现在学习的是第1页，共31页 8.5 8.5 8.5 8.5 高高高高 温温温温 合合合合 金金金金现在学习的是第2页，共31页一、概一、概 述述国外高温合金发展状况国外高温合金发展状况1929年：英美Merica、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。1942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。现在学习的是第3页，共31页1932年：美国Halliwell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。1941年：美国开始发展航空燃气涡轮。1942年：Hastelloy B镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及其后的I-40喷气发动机。1944年：西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金HS 23精密铸造叶片。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被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金。并在这些合金发展基础上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌号系列。现在学习的是第4页，共31页制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。二十世纪40年代50年代中期：通过合金成分的调整来提高合金的性能。二十世纪50 年代：出现了真空熔炼技术，去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的铸造高温合金。二十世纪60年代：定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究开发。其中定向凝固工艺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90，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。现在学习的是第5页，共31页我国高温合金发展历程我国高温合金发展历程第一阶段第一阶段,从从1956 年至年至20 世纪世纪70 年代初是我国高温合金的年代初是我国高温合金的创业和起始阶段创业和起始阶段.在苏联专家的指导下炼出的第一炉高在苏联专家的指导下炼出的第一炉高温合金温合金G H 3030,拉开了我国研制和生产的序幕。自主拉开了我国研制和生产的序幕。自主开发了一批新合金开发了一批新合金,特别针对我国缺特别针对我国缺N i 少少C r 的资源情况的资源情况,研制出一批铁镍基高温合金。研制出一批铁镍基高温合金。现在学习的是第6页，共31页第二阶段第二阶段,从从20 世纪世纪70 年代中至年代中至90 年代中期年代中期,是我国高温合金的提高阶是我国高温合金的提高阶段段.经过这一阶段的工作经过这一阶段的工作,不但研制成功一系列新的合金不但研制成功一系列新的合金,包括高性能变包括高性能变形合金、铸造合金、定向凝固及单晶合金形合金、铸造合金、定向凝固及单晶合金,而且更重要的是使我国高温而且更重要的是使我国高温合金的生产工艺技术和产品质量控制等方面上了一个新台阶合金的生产工艺技术和产品质量控制等方面上了一个新台阶,基本达到或接基本达到或接近西方工业发达国家的水平。近西方工业发达国家的水平。第三阶段第三阶段,从从20 世纪世纪90 年代中至今年代中至今,是我国高温合金的新发展阶段是我国高温合金的新发展阶段.本阶段的特点是应用和开发出一批新工艺本阶段的特点是应用和开发出一批新工艺,研制和生产了一系列高性能高研制和生产了一系列高性能高档次的新合金档次的新合金.现在学习的是第7页，共31页二二.高温合金的定义、分类和牌号高温合金的定义、分类和牌号 1.1.定义：定义：高温合金高温合金是指能在是指能在60012006001200高温下仍高温下仍能保持按设计要求正常工作的金属材料。能保持按设计要求正常工作的金属材料。随着人类飞向太随着人类飞向太空，核动力、光子火空，核动力、光子火箭的发展，对高温的箭的发展，对高温的要求进一步提高，将要求进一步提高，将超出金属高温合金的超出金属高温合金的极限，需要发展其他极限，需要发展其他类型的高温材料。类型的高温材料。图图1 高温合金的发展过程高温合金的发展过程8现在学习的是第8页，共31页2.2.高温合金的特性和分类高温合金的特性和分类耐耐高高温温金金属属材材料料耐热钢耐热钢低合金耐热钢低合金耐热钢铁素体系耐热钢铁素体系耐热钢奥氏体系耐热钢奥氏体系耐热钢500 700 高温合金高温合金铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金钴基高温合金钴基高温合金镍基高温合金镍基高温合金弥散强化合金弥散强化合金狭义高狭义高温合金温合金700 1200定向凝固高温合金定向凝固高温合金钼基、铬基、钨基高温合金钼基、铬基、钨基高温合金表表1 耐热合金和高温合金的分类耐热合金和高温合金的分类 在高温下合金能具有在高温下合金能具有较高的强度较高的强度，良好的疲劳性能良好的疲劳性能、断裂韧度断裂韧度，以及以及强的抗氧化强的抗氧化和和抗热腐蚀抗热腐蚀性能，并保持性能，并保持良好的组织稳定性良好的组织稳定性和和可可靠的使用性能靠的使用性能等综合性能。等综合性能。9现在学习的是第9页，共31页(1)(1)铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金含镍量达含镍量达25256060，又称为铁镍基合金。铁基高温合金由奥氏体不锈，又称为铁镍基合金。铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在钢发展而来，在18-818-8型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在500700500700温度下的持久强度提高。温度下的持久强度提高。优点：优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。缺点：缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，仅可使用于度不够，仅可使用于800800，按合金基体元素种类分：10现在学习的是第10页，共31页(2)(2)镍基高温合金镍基高温合金 以镍为基体，以镍为基体，W W Ni Ni 50%50%，可在，可在70010007001000温度范围内温度范围内使用。使用。优点：优点：镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和定性，高温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。抗腐蚀性。现在学习的是第11页，共31页(3)钴钴基高温合金基高温合金 w Co在在4060的奥氏体高温合金，工作温度可达的奥氏体高温合金，工作温度可达7301100。优优点：点：当温度高于当温度高于980时时，其，其强强度很高，抗度很高，抗热热疲疲劳劳、热热腐腐蚀蚀和耐磨腐和耐磨腐蚀蚀性都很性都很佳，适合于航空佳，适合于航空发动发动机，工机，工业业燃气燃气轮轮机，机，舰舰船燃气船燃气轮轮机的机的导导向叶片和向叶片和喷喷嘴嘴导导向向叶片以及柴油机的叶片以及柴油机的喷喷嘴等。嘴等。缺点：缺点：一般一般钴钴基高温合金含基高温合金含W Ni=10%22%和和 w Cr=20%30%，以及，以及钨钨、钼钼、钽钽、铌铌等固溶等固溶强强化和碳化物形成元素，其含碳量化和碳化物形成元素，其含碳量较较高，是以碳化物高，是以碳化物为为主要主要强强化相的高温合化相的高温合金，缺少共格金，缺少共格类类的的强强化相，中温化相，中温强强度不如度不如镍镍基高温合金。基高温合金。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。12现在学习的是第12页，共31页按合金强化类型分：按合金强化类型分：固溶强化型合金固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金时效沉淀强化型合金按合金材料成形方式分：按合金材料成形方式分：变形高温合金：饼、棒、板、环形件、管、带和丝变形高温合金：饼、棒、板、环形件、管、带和丝 铸造高温合金：普通精密铸造、定向凝固和单晶合金铸造高温合金：普通精密铸造、定向凝固和单晶合金 粉末冶金高温合金：普通和氧化物弥散强化合金粉末冶金高温合金：普通和氧化物弥散强化合金按使用特性：高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、按使用特性：高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨膨胀合金、抗热腐蚀合金等。低膨膨胀合金、抗热腐蚀合金等。现在学习的是第13页，共31页我国变形高温合金的编号为我国变形高温合金的编号为GH+四位数字四位数字，如，如GH4037。第一位数字表示第一位数字表示分类号分类号，即：，即：1表示表示固溶强化固溶强化型型铁基合金铁基合金；2表示表示时效硬化时效硬化型型铁基合金铁基合金；3表示表示固溶强化固溶强化型型镍基合金镍基合金；4表示表示时效硬化时效硬化型型镍基合金镍基合金；5表示表示固溶强化固溶强化型型钴基合金钴基合金；6表示表示时效硬化时效硬化型型钴基合金钴基合金。第二、三、四位数字表示合金的编号。第二、三、四位数字表示合金的编号。现在学习的是第14页，共31页铸造高温合金编号为铸造高温合金编号为K+三位数字三位数字，如，如K403。第一位数字表示分类号，即：第一位数字表示分类号，即：2表示表示时效硬化型时效硬化型铁基合金；铁基合金；4表示表示时效硬化型时效硬化型镍基合金；镍基合金；6表示表示时效硬化型时效硬化型钴基合金。钴基合金。第二、三位数字表示合金的编号。第二、三位数字表示合金的编号。现在学习的是第15页，共31页高温合金高温合金汽车增压器喷嘴环叶片汽车增压器喷嘴环叶片 燃气轮机涡轮零件燃气轮机涡轮零件现在学习的是第16页，共31页三、高温合金的性能特点三、高温合金的性能特点1、高的高温强度、高的高温强度材料强度比较材料强度比较现在学习的是第17页，共31页 为为了了保保证证高高温温合合金金具具有有高高的的高高温温强强度度，采采取取了了三三个个基基本本强强化化手手段段固固溶溶强强化化、第第二二相相强强化化、晶晶界强化界强化 。现在学习的是第18页，共31页（1）固溶强化）固溶强化 高温合金中的主要固溶强化元素有高温合金中的主要固溶强化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。其主要作用是：等。其主要作用是：a.产生晶格畸变产生晶格畸变b.降低堆垛层错能，使位错运动困难降低堆垛层错能，使位错运动困难c.降低扩散能力。降低扩散能力。现在学习的是第19页，共31页（2）第二相强化）第二相强化 除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相是除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相是 Ni3(AlTi)，某些高温合金用，某些高温合金用 Ni3(NbTa)强化，强化，主要强化元素是主要强化元素是Al、Ti、Nb、Ta。析出第二相。析出第二相的强化效的强化效果与第二相的本质果与第二相的本质(种类、晶体结构、成分及其与基体种类、晶体结构、成分及其与基体的配合程度的配合程度)、大小、数量和稳定性密切相关。、大小、数量和稳定性密切相关。获得方法：时效析出弥散相、加入难熔弥散相获得方法：时效析出弥散相、加入难熔弥散相现在学习的是第20页，共31页（3）晶界强化）晶界强化 高温下，晶界参与变形，因高温下，晶界参与变形，因而是弱化部位。而是弱化部位。合金化：合金化：主要晶界强化元素有主要晶界强化元素有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg等，它等，它们的作用主要是降低晶界能量和们的作用主要是降低晶界能量和净化晶界。净化晶界。高温下，拉应力使金属中高温下，拉应力使金属中垂直晶界的扩散加速垂直晶界的扩散加速现在学习的是第21页，共31页四、镍基变形高温合金四、镍基变形高温合金 以镍为主要基体成分的变形高温合金以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母以汉语拼音字母“GH”加序号表示，如加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。它等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。段加工成材。按强化方式可分为按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金变形高温合金和和强时效强化镍基变形高温合金强时效强化镍基变形高温合金3类。类。现在学习的是第22页，共31页用途：用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。涡轮盘和燃烧室等。现在学习的是第23页，共31页高温合金（高温合金（GH132、GH145、GH169）GH3039等高温合金系列等高温合金系列 现在学习的是第24页，共31页合金元素的作用：合金元素的作用：铬铬在镍基变形高温合金中的主要作用：在镍基变形高温合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蚀能增加抗氧化及耐蚀能力力。20世纪世纪4050年代发展的镍基变形高温合金中铬含量高达年代发展的镍基变形高温合金中铬含量高达18%20%，在，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%12%。过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力。过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力。现在学习的是第25页，共31页固溶强化固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素钨、钼、钴等元素。弱时效强化弱时效强化镍基变形高温合金可添加镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。时效强化元素。强时效强化强时效强化镍基变形高温合金中则可以镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、加入多量的铝、钛、铌元素，铌元素，但其总量不能超过但其总量不能超过7.5%。也加入硼、铈、镁等。也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。晶界强化元素。现在学习的是第26页，共31页组织特点组织特点：主要的强化相是主要的强化相是(Ni3Al)相，相，含量达含量达20%55%左右。左右。另一类强化相是另一类强化相是(Ni3Nb)相，相，在在700以下对强度的贡献远大于以下对强度的贡献远大于相，特别显著地提高屈服强度，是相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料涡轮盘材料中有名的强化相。中有名的强化相。加工方法：加工方法：变形高温合金变形高温合金塑性较低，变形抗力大塑性较低，变形抗力大，特别是含，特别是含相相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制等新工艺。也采用加镁微合金化和接轧制、钢锭包套直接轧制等新工艺。也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。现在学习的是第27页，共31页五、五、镍基铸造高温合金镍基铸造高温合金以镍为主要成分的铸造高温合金以镍为主要成分的铸造高温合金，以，以“K”加序号表示，加序号表示，如如K1、K2等。等。随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产。这样，镍基变形高温合金就转化能采用精密铸造工艺才能生产。这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。为镍基铸造高温合金。现在学习的是第28页，共31页添加元素及作用添加元素及作用：镍基铸造高温合金以镍基铸造高温合金以相为基体相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成添加铝、钛、铌、钽等形成相进行强化相进行强化，相数量较多，有的相数量较多，有的合金高达合金高达60%；加入钴能提高加入钴能提高相的溶解温度相的溶解温度，提高合金的使用温度；，提高合金的使用温度；钼、钨、铬钼、钨、铬具有具有强化固溶体强化固溶体的作用的作用，铬、钼、钽铬、钼、钽还能形成一系列还能形成一系列对对晶界产生强化作用的碳化物晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低但铬降低相的溶解度和高温强度，因此相的溶解度和高温强度，因此铬铬含量应低些；含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；铪：改善合金中温塑性和强度；为了为了强化晶界强化晶界，添加适量添加适量硼、锆硼、锆等元素。等元素。现在学习的是第29页，共31页 缺点及克服方法缺点及克服方法 （1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用中组织稳定性有所下降；）疲劳性能稍差、塑性较低、使用中组织稳定性有所下降；（2）存在疏松，性能波动较大。）存在疏松，性能波动较大。为了减轻这些缺点，为了减轻这些缺点，1968年在美国首先研制了年在美国首先研制了高硼低碳镍高硼低碳镍基铸造高温合金。基铸造高温合金。在镍基铸造高温合金其他元素不变的情况在镍基铸造高温合金其他元素不变的情况下，将下，将硼含量提高硼含量提高1020倍，碳含量下降到倍，碳含量下降到0.01%0.03%，而使合金的强度和塑性提高、疏松减少，提高了组织长期而使合金的强度和塑性提高、疏松减少，提高了组织长期稳定性等。这类合金已在美国获得实际应用。稳定性等。这类合金已在美国获得实际应用。现在学习的是第30页，共31页应用应用 镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气燃气轮机的最关键的高温部件，轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。涡轮等。现在学习的是第31页，共31页