第7章 航空工程陶瓷材料及高温材料.pdf

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1、崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 目 录 0101 陶瓷材料 0202 高温合金和金属间化合物高温材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 陶瓷材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.1.1陶瓷材料的分类与性能（1）按化学成分 1.陶瓷材料的分类（2）按原材料分（3）按性能和用途分 氧化物陶瓷 碳化物陶瓷 氮化物陶瓷 其他化合物陶瓷 普通陶瓷 特种陶瓷 以天然原料如长石、粘土和石英等作为原料 以高纯度人工合成的材料作原料 结构陶瓷 功能陶瓷 以利用其力学性能和耐热性能为主 以利用其电、磁、声、光、热、化学等性能及其相互转化功能为主 陕西航

2、空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.1.1陶瓷材料的分类与性能 2.陶瓷材料的性能（1）力学特性 大多数陶瓷材料的硬度高，其硬度大多在1500HV以上。弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性。抗压强度较高，抗拉强度较低。（2）热性能 陶瓷材料熔点高（大多在2000以上），抗蠕变能力强，并具有高的硬度；导热性低于金属材料；线膨胀系数小，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。（3）电绝缘性 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，用于制作各种电压（1kV10kV）的绝缘器件。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。（4）化学性能 陶瓷材料的化学稳定性很高，在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀

3、能力。（5）其他性能 某些陶瓷还具有光、声、磁等特殊性能。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2陶瓷材料的结构 陶瓷是由金属元素和非金属元素形成的无机化合物构成的多相多晶固体材料，通常认为其组织结构由晶相、玻璃相和气相组成。各相的结构、数量、形态、大小和分布对陶瓷有明显影响。图7.1 陶瓷显微组织示意图 晶相是陶瓷材料主要的组成相，对陶瓷材料的性能起决定作用。玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。气相是陶瓷气孔，是陶瓷烧结过程中产生的，陶瓷的气孔率通常为5%10，特种陶瓷控制在5%以下。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3常用工业陶瓷 1.

4、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土、长石和石英为原料，经成型、烧结而成的。其组织中主晶相为莫来石（3Al2O32SiO2），占2530%，玻璃相占3560%。普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷外，还大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。2.特种陶瓷（1）氧化物陶瓷 1）氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分，含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。根据主晶相的差异可分为刚玉瓷、刚玉-莫来石瓷和莫来石瓷。以-Al2O3为主晶相的氧化铝陶瓷称为刚玉瓷，包括高纯氧化铝瓷、99瓷、95瓷、85瓷等品种。以-Al2O3和3Al2O32SiO2为主晶相称为刚玉-莫来石瓷，如75瓷。氧化铝陶瓷

5、机械强度高、热导率和抗热震性好，热膨胀系数低，介电损耗和介电损耗小，抗生物腐蚀性好，广泛用作耐火材料，电绝缘材料等，如耐火砖、坩埚、热电偶套、高速切削刀具、金属拔丝模、量具。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3常用工业陶瓷 2.特种陶瓷（1）氧化物陶瓷 2）氧化锆陶瓷 纯氧化锆的有立方、四方、单斜三种晶型。三种晶型之间可以相互转化，其中，t-ZrO2（四方相）m-ZrO2（单斜相）的转变属于马氏体型转变，会产生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。通常加入CaO、MgO、Y2O3或稀土氧化物作为稳定剂使立方相和四方相存在于室温。氧化锆中加入某些氧化

6、物能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆（FSZ）。减少加入的氧化物数量，使一部分氧化锆稳定，称为部分稳定氧化锆（PSZ）。作为亚稳态的四方相，在裂纹尖端应力作用下会诱发马氏体转变，这种转变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，阻碍裂纹扩展，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。氧化锆的比热容小，韧性好，化学稳定性好，高温时耐酸碱性好。氧化锆陶瓷可作为耐火材料、发动机构件、模具、切削工具等。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3常用工业陶瓷 2.特种陶瓷（2）氮化物陶瓷 1）氮化硅陶瓷。氮化硅是键能高而稳定的共价键晶体。其特点是强度、比强度、比模量高；硬

7、度仅次于金刚石、碳化硼；摩擦系数小，仅为0.10.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高，除不耐氢氟酸和浓NaOH外，能耐所有的无机酸和某些碱液、熔融碱和盐的腐蚀。氮化硅陶瓷制造方法不同，得到的陶瓷性能也不同，应用领域也不同。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。2）氮化硼陶瓷。氮化硼有六方和立方两种晶体结构。六方氮化硼是一种软质材料，机械强度低；耐热性非常好，使用温度900以下，无明显熔点；热膨胀系数低，热导率高，抗热震性好；电绝缘性好；化学稳定性优良。立方氮化硼硬度与金

8、刚石相近，但比金刚石耐高温和抗氧化性更好；强度和模量较低；高温下绝缘性好；耐酸、碱性好。3）氮化钛陶瓷。氮化钛陶瓷硬度大，化学稳定性好，是一种很好的耐熔、耐氧化、耐磨材料；具有较高的导电性，可用作熔盐电极及电触头材料；具有较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3常用工业陶瓷 2.特种陶瓷（3）碳化物陶瓷 1）碳化硅陶瓷。碳化硅（SiC）是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙（SiO2）加焦碳直接加热至高温还原而成。碳化硅硬度高、高温强度好；具有高的热导率和较小的热膨胀系数；电绝缘性好；耐大多数无机酸；缺点是断裂韧性较低，脆性大。

9、碳化硅的烧结工艺也有热压烧结和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管等。2）碳化锆陶瓷。熔点高，热捧胀系数低，耐氧化，不溶于盐酸但溶于硝酸。采用粉末冶金法制备。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 高温合金和金属间化合物高温材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.1高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号 1.高温合金和金属间化合物高温材料的分类 根据合金的基本成形方式或特殊用途 变形高温合金 等轴晶铸造高温合金 定向凝固柱晶高温合金 单晶高温合金

10、 铸造高温合金 焊接用高温合金 粉末冶金高温合金 弥散强化高温合金 根据金属间化合物高温材料的基本组成元素 镍铝系金属间化合物高温材料 钛铝系金属间化合物高温材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.1高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号 2.高温合金和金属间化合物高温材料的牌号 采用字母加阿拉伯数字相结合的方法表示。根据特殊需要，可以在牌号后加英文字母表示原合金的改型合金，如表示某种特定工艺和特定化学成分等。前缀，表示基本特性类别的汉语拼音字母符号（两位或三位符号）表示材料的分类数字 表示同一材料类别内不同牌号编号（两位或三位数字）后缀，表示某种特定工艺和特定化学成分等的

11、英文字母符号（特殊需要）陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.1高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号 2.高温合金和金属间化合物高温材料的牌号（1）牌号前缀 变形高温合金牌号采用汉语拼音字母“GH”作前缀（“G”和“H”分别为“高”和“合”字汉语拼音的第一个字首）。等轴晶铸造高温合金牌号采用汉语拼音字母“K”作前缀；定向凝固柱晶高温合金牌号采用汉语拼音字母“DZ”作前缀（“D”和“Z”分别为“定”和“柱”字汉语拼音的第一个字首）；单晶高温合金牌号采用汉语拼音字母“DD”作前缀（“D”和“D”分别为“定”和“单”字汉语拼音的第一个字首）。焊接用高温合金牌号采用汉语拼音字母“HG

12、H”作前缀（“GH”符号前的“H”为“焊”字汉语拼音的第一个字首）。粉末冶金高温合金牌号采用汉语拼音字母“FGH”作前缀（“GH”符号前的“F”为“粉”字汉语拼音的第一个字首）。弥散强化高温合金牌号采用汉语拼音字母“MGH”作前缀（“GH”符号前的“M”为“弥”字汉语拼音的第一个字首）。金属间化合物高温材料牌号采用汉语拼音字母“JG”作前缀（“J”和“G”分别为“金”和“高”字汉语拼音的第一个字首）。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.1高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号 2.高温合金和金属间化合物高温材料的牌号（2）阿拉伯数字 变形高温合金和焊接用高温合金丝 前缀后采用

13、四位数字，第一位数字表示合金分类号；第二至四位数字表示合金编号，不足位数的合金编号用数字“0”补齐。“0”放在第一位表示分类号的数字与合金编号之间。分类号单双数的选择，按合金主要使用的强化类型确定。第一位数字（分类号）的规定如下：1表示铁或镍（镍小于50%）为主要元素的固溶强化型合金类；2表示铁或镍（镍小于50%）为主要元素的时效强化型合金类；3表示镍为主要元素的固溶强化型合金；4表示镍为主要元素的时效强化型合金；5表示钴为主要元素的固溶强化型合金；6表示钴为主要元素的时效强化型合金；7表示铬为主要元素的固溶强化型合金；8表示铬为主要元素的时效强化型合金。焊接用高温合金丝牌号中的第一位数字没有

14、强化类型的含义，只是沿用变形高温合金牌号的数字。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.1高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号 2.高温合金和金属间化合物高温材料的牌号（2）阿拉伯数字 其他高温合金和金属间化合物高温材料 铸造高温合金前缀后一般采用三位阿拉伯数字。第一位数字表示合金分类号；第二、三位数字表示合金编号，不足位数的合金编号用数字“0”补齐。“0”放在第一位表示分类号的数字与合金编号之间。粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金、金属间化合物高温材料前缀后采用四位阿拉伯数字。阿拉伯数字同变形高温合金。第一位数字（分类号）的规定如下：1表示钛铝系金属间化合物高温材料；2表示铁

15、或镍（镍小于50%）为主要元素的合金；4表示镍为主要元素的合金和镍铝系金属间化合物高温材料；6表示钴为主要元素的合金；8表示铬为主要元素的合金。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2高温合金 1.变形高温合金（1）铁及铁镍基高温合金 铁及铁镍基高温合金是从奥氏体不锈钢发展起来的。在18-8型不锈钢中加入钼、铌、钛等元素，可提高这种钢在500700条件下的持久强度。国外牌号有Incoloy A-286、Incoloy 901等。中国牌号有GH1140、GH2180、GH1035等。按强化类型不同，可分为固溶强化型和时效强化型两大类，固溶强化型具有更高的热稳定性，时效强化具有更高的热

16、强度。GH1035、GH1140、GH1131属于固溶强化型，组织稳定性好，压力加工性和和焊接性好，用于制造形状复杂，受力不大，要求800900工作的零件，如燃烧室，火焰筒等。GH2036、GH2132、GH2180属于时效强化型，组织不够稳定，抗氧化性较差，高温强度不足，可由于制造800以下工作的受力零件，如涡轮盘、涡轮叶片以及其他承力件、紧固件等。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2高温合金 1.变形高温合金（2）镍基高温合金 以镍为基体（含量一般大于50%），在6501000范围内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抗腐蚀性。镍具有很大的合

17、金能力，甚至添加十余种合金元素也不出现有害相，这就为改善镍的各种性能提供潜在的可能性。主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，常用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。GH3030具有优良的热稳定性和热疲劳性能，冷压和焊接性能良好，常做燃烧室联焰管、引燃管等。GH3044用于9501100工作的燃烧室、鱼鳞片内腹板等冷压焊接件。GH4169可用于发动机涡轮转子和主轴。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2高温合金 1.变形高温合

18、金（3）钴基高温合金 含钴量4060%的奥氏体高温合金，工作温度7301100。因钴在417以下是密排六方晶格结构，在更高温度下转变为面心立方晶格结构，为得到低温稳定的奥氏体结构，合金中必须加入扩大奥氏体区的合金元素。实际上，所有钴基合金均添加镍，以便在室温到熔点温度范围内使组织稳定化。除镍外，还加入相当数量的铬和少量的钼、铌、钽、钛、镧等固溶强化和碳化物形成元素，有的也还含有钨和铁。与其他高温合金不同，钴基高温合金是由已被固溶强化的奥氏体基体和少量碳化物组成（铸造钴基高温合金却是在很大程度上依靠碳化物强化）。钴基高温合金的抗氧化能力不如镍，耐热腐蚀和热疲劳方面优于镍，适于制造高温低应力长期使

19、用的静态部件，如航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。GH5188用于液体火箭姿态控制器、发动机头部与身部结合处的弹性密封件。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2高温合金 2.铸造高温合金 铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。与变形高温合金相比，铸造高温基合金有如下特点：由于不必兼顾其变形加工性能，可以集中考虑优化其使用性能，因此可提高合金化程度；铸造合金的组织稳定性和使用温度比变形合金高；可通过对冷却速度的控制获得所需晶粒度，改善力学性能。在-253650使用的等轴晶铸造高温合金。这类合金在很宽的范围温度内具有

20、良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15%；650，620MPa应力下的持久寿命为200小时。在650950使用的等轴晶铸造高温合金。这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金，950时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950，200小时的持久强度极限大于230MPa。在9501100使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金。这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DZ404、DZ402和DZ422B已在现役航

21、空发动机中投入批量生产。DD402单晶合金，1100、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.2高温合金 3.粉末冶金高温合金 粉末冶金高温合金采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。由于粉末颗粒细小，冷却速度快，因此具备成分均匀、无宏观偏析、晶粒细小、热加工性能好、金属利用率高等特点，合金的屈服强度和疲劳性能有较大提高。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机使用要求，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。粉末制备是生产中最重要的环节，粉末质量直接影响零

22、件性能，主要采用氩气雾化（AA）、旋转电极（PREP）和溶氢雾化(SHA）工艺，俄罗斯和我国采用PREP工艺，美国等国家采用AA工艺。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3金属间化合物高温材料 1.Ni-Al系金属间化合物 Ni3Al金属间化合物具有较高的高温强度、蠕变抗力和高的比强度，且屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应，但也存在室温塑性低、低温脆性大的问题。通过添加微量的硼元素显著改善了Ni3Al的室温塑性，克服了Ni3Al在工程应用上的最大障碍。在实际应用中，Ni3Al基合金大多引入一定量的奥氏体相（相），致使其相较于传统镍合金的密度降低幅度及熔点提高幅度有限。Ni3Al

23、基合金可制造发动机热端结构件、耐烧蚀件及抗汽蚀件。如美国橡树岭国家实验室开发的IC系列，广泛用于高温加热炉、轧辊等。NiAl基合金具有熔点高、密度低以及良好的抗氧化性、抗热腐蚀性和极高的导热性。NiAl基合金最主要的问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。NiAl基主要用于制造航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮叶片和燃烧室的某些零件或用作高温合金的抗氧化、抗腐蚀涂层。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.3金属间化合物高温材料 2.Ti-Al系金属间化合物 Ti-Al系金属间化合物合金具有密度低，比强度、比刚度高以及优良的高温性能；塑性差、断裂韧性低、裂纹扩展速率大。Ti3Al在800以

24、下具有良好的抗氧化性能和耐热性能。通过加入相稳定元素Nb、V、Mo等降低Ti3Al的脆性，其中Nb的作用最为显著。Ti3Al基合金JG1301（TAC-1）和JG1302（TAC-1B）合金具有优良的热、冷加工性能、机械切削性能，能加工成棒、管、板等各种型材。Ti2AlNb基合金可部分替代高温合金制作高性能发动机的涡轮盘，可减重3540。Ti2AlNb基合金箔材与SiC纤维增强制做复合材料，可作为航天飞机的蒙皮及发动机部件用材，其成本和重量都低于传统材料。TiAl金属间化合物在600750具有良好的蠕变性能，良好的阻燃能力。其主要缺点是抗损伤能力较低、室温脆性大、断裂韧性低和裂纹扩展速率高。T

25、iAl3金属间化合物是Ti-Al系中密度最低的一种材料，在较高温度时有较高的强度和良好的抗氧化性。通过添加Fe、Ni、Mn等元素初步改善了其塑性，但幅度不大，离工程应用还有较大距离。此外，TiAl3工作温度相对较低。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.2.4高温合金的应用 1.航空发动机 高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端零部件；此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。2.航天发动机 航天发动机用高温合金原则上都可以采用航空发动机用高温合金，但航天发动机材料不仅对高温高压下的性能有较高要求，同时要求在低温、较高温度梯度变化的环境下进行稳定工作。3.民用高温合金（1）各类燃气轮机（2）汽车领域（3）石油化工（4）核工业（5）其他领域 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.陶瓷材料的特点有哪些？2.试述高温材料在航空发动机上的应用。思考题 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息