镍基高温合金.pptx

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1、 高温合金材料(superalloy material)一般指在600以上承受一定应力条件下工作的合金材料。它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能。它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等），也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。第1页/共23页高温合金汽车增压器喷嘴环叶片 燃气轮机涡轮零件第2页/共23页镍基高温合金是3030年代后期开始研制的 19411941：英国首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-

2、0.4Ti)Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。4040年代中期 ：美国4040年代后期 ：苏联 5050年代中期 ：中国一、发展过程第3页/共23页镍基合金发展的两个方面 包括：合金成分的改进和生产工艺的革新 50年代初：真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期：采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期：发展出性能更好的定向结晶

3、和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。第4页/共23页 为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从 700提高到1100，平均每年提高10左右。第5页/共23页第6页/共23页高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金，使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。

4、按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。二、分类第7页/共23页 镍基变形高温合金 (wrought nickel -base superalloy )以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合金3类。第8页/共23页用途：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、涡轮盘和燃烧室等。第9页/共23页高温合金（GH

5、132、GH145、GH169）GH3039等高温合金系列 第10页/共23页合金元素的作用：铬在镍基变形高温合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蚀能力。20世纪4050年代发展的镍基变形高温合金中铬含量高达18%20%，在60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。三、成分和性能第11页/共23页固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素。弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。第12页/共23页组织特点

6、：主要的强化相是(Ni3Al)相，含量达20%55%左右。另一类强化相是(Ni3Nb)相，在700以下对强度的贡献远大于相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。加工方法：变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含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、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。第13页/共23页镍基铸造高温合金（cast nickel-base superalloy）以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、K2等。随着使用温

7、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行生产。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为镍基铸造高温合金。第14页/共23页添加元素及作用：镍基铸造高温合金以相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成相进行强化，相数量较多，有的合金高达60%；加入钴能提高相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼

8、、锆等元素。第15页/共23页 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；（2）存在疏松，性能波动较大。为了减轻这些缺点，1968年在美国首先研制了高硼低碳镍基铸造高温合金。在镍基铸造高温合金其他元素不变的情况下，将硼含量提高1020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，提高了组织长期稳定性等。这类合金已在美国获得实际应用。第16页/共23页应用 镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。第17页/共23页 冶炼方面：为了获得更纯净化的钢水，减低气体含量与有害元素

9、含量；同时由于部分合金中有易氧化元素如Al，Ti等存在，非真空方式冶炼难以控制；更是为了获得更好的热塑性，镍基耐热合金，通常采用真空感应炉熔炼，甚至用真空感应冶炼加真空自耗炉或电渣炉重熔方式进行生产。四、生产工艺第18页/共23页变形方面 采用锻造、轧制工艺，对于热塑性差的合金甚至采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。变形的目的是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构。第19页/共23页铸造方面 铸造方面：通常用真空感应炉熔炼母合金保证成分与控制气体与杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件。第20页/共23页热处理方面 热处理方面：变形合金和部分铸造合金需进行热处理，包括固溶处理、中间处理和时效处理，以Udmet 500合金为例，它的热处理制度分为四段：固溶处理，1175，2小时，空冷；中间处理，1080，4小时，空冷；一次时效处理，843，24小时，空冷；二次时效处理，760，16小时，空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。第21页/共23页谢谢观赏第22页/共23页感谢您的观看！第23页/共23页