高溫合金　　高溫合金生產(chǎn)用關(guān)鍵設(shè)備 真空爐高溫合金
1 i+ N3 U/ e; B" n5 b  a三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江　　在 600～1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型、沉淀強(qiáng)化型、氧化物彌散強(qiáng)化型和纖維強(qiáng)化型等(見金屬的強(qiáng)化)。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機(jī)盤和燃燒室等高溫部件（圖1）;還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備以及煤的轉(zhuǎn)化等能源轉(zhuǎn)換裝置。
% ]4 E% b( n3 r7 B5 P4 ~( J! @三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江　　發(fā)展過(guò)程 從20世紀(jì)30年代后期起，英、德、美等國(guó)就開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，高溫合金的研究和使用進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期。40年代初，英國(guó)首先在 80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ┡相以進(jìn)行強(qiáng)化，研制成第一種具有較高的高溫強(qiáng)度的鎳基合金。同一時(shí)期，美國(guó)為了適應(yīng)活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器發(fā)展的需要，開始用 Vitallium鈷基合金制作葉片。此外，美國(guó)還研制出 Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。以后，冶金學(xué)家為進(jìn)一步提高合金的高溫強(qiáng)度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號(hào)的合金，如英國(guó)的 “Nimonic”，美國(guó)的“Mar-M”和“IN”等；在鈷基合金中,加入鎳、鎢等元素，發(fā)展出多種高溫合金，如 X-45、HA-188、FSX-414等。由于鈷資源缺乏，鈷基高溫合金發(fā)展受到限制。40年代，鐵基高溫合金也得到了發(fā)展，50年代出現(xiàn) A-286和Incoloy901等牌號(hào)，但因高溫穩(wěn)定性較差，從60年代以來(lái)發(fā)展較慢。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號(hào)的鎳基高溫合金，后來(lái)生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和“ЖС”系列鑄造高溫合金。中國(guó)從1956年開始試制高溫合金,逐漸形成“GH”系列的變形高溫合金和“K”系列的鑄造高溫合金。70年代美國(guó)還采用新的生產(chǎn)工藝制造出定向結(jié)晶葉片和粉末冶金渦輪盤，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度不斷提高的需要。 三維網(wǎng)技術(shù)論壇9 K; b' t. [; `' m: v5 o1 N
　　提高強(qiáng)度的方法 高溫合金應(yīng)具有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度（見蠕變）、良好的抗熱疲勞和機(jī)械疲勞性能（見疲勞）、良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能以及組織穩(wěn)定，其中以蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度最為重要。提高高溫合金強(qiáng)度的途徑有：
8 {! t1 p4 x9 ?8 ]& M  n三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa　　固溶強(qiáng)化 加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點(diǎn)陣的畸變,加入能降低合金基體堆垛層錯(cuò)能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素?cái)U(kuò)散速率的元素（鎢、鉬等），以強(qiáng)化基體。
) K, H( f6 h( x1 Y1 n/ _/ ^5 U; n三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa　　沉淀強(qiáng)化 通過(guò)時(shí)效處理，從過(guò)飽和固溶體中析出第二相（γ┡、γ"、碳化物等），以強(qiáng)化合金（見合金相）。γ┡相與基體相同,均為面心立方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)與基體相近，并與晶體共格,因此γ┡相在基體中能呈細(xì)小顆粒狀均勻析出,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。γ┡相是A3B型金屬間化合物，A代表鎳、鈷，B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢，而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ┡相為Ni3(Al,Ti)。γ┡相的強(qiáng)化效應(yīng)可通過(guò)以下途徑得到加強(qiáng)：①增加γ┡相的數(shù)量；②使γ┡相與基體有適宜的錯(cuò)配度，以獲得共格畸變的強(qiáng)化效應(yīng)；③加入鈮、鉭等元素增大γ┡相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯(cuò)切割的能力；④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ┡相的強(qiáng)度。γ"相為體心四方結(jié)構(gòu)，其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯(cuò)配度較大,能引起較大程度的共格畸變，使合金獲得很高的屈服強(qiáng)度。但超過(guò)700℃,強(qiáng)化效應(yīng)便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ┡相，而用碳化物強(qiáng)化。 三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江2 x0 m5 N' D; y  s' G
　　晶界強(qiáng)化 在高溫下，合金的晶界是薄弱環(huán)節(jié)（見界面），加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強(qiáng)度。這是因?yàn)橄⊥猎啬軆艋Ы?，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過(guò)程中晶界擴(kuò)散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促進(jìn)晶界第二相球化。另外，鑄造合金中加適量的鉿，也能改善晶界的強(qiáng)度和塑性。還可通過(guò)熱處理在晶界形成鏈狀分布的碳化物或造成彎曲晶界，提高塑性和強(qiáng)度。 三維網(wǎng)技術(shù)論壇# \) D9 Y1 j& I9 o: d, k$ w
　　氧化物彌散強(qiáng)化 通過(guò)粉末冶金方法，在合金中加入高溫下仍保持穩(wěn)定的細(xì)小氧化物,呈彌散分布狀態(tài),從而獲得顯著的強(qiáng)化效應(yīng)。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。這些氧化物是通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)等因素而使合金得到強(qiáng)化的。 三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江! i5 w- r, p# g) O6 W- ]
　　典型牌號(hào) 70年代典型的綜合性能較好的高溫合金牌號(hào)及其化學(xué)成分見表。就高溫下持久強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，鎳基合金最高，鈷基合金次之,鐵基合金較低（圖2）。 " R: I# V5 [/ i. g# J! A  R0 ?% X
　　制造工藝 不含或少含鋁、鈦的高溫合金，一般采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時(shí)，元素?zé)龘p不易控制，氣體和夾雜物進(jìn)入較多，所以應(yīng)采用真空冶煉。為了進(jìn)一步降低夾雜物的含量,改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結(jié)晶組織,可采用冶煉和二次重熔相結(jié)合的雙聯(lián)工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應(yīng)爐和非真空感應(yīng)爐；重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。
7 J* a3 {9 `7 U4 N8 O# b% U2 i三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa　　固溶強(qiáng)化型合金和含鋁、鈦低（鋁和鈦的總量約小于 4.5％）的合金錠可采用鍛造開坯；含鋁、鈦高的合金一般要采用擠壓或軋制開坯，然后熱軋成材，有些產(chǎn)品需進(jìn)一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機(jī)或快鍛液壓機(jī)鍛造。 三維網(wǎng)技術(shù)論壇1 w( o4 l! z1 E* J/ y- E
　　合金化程度較高、不易變形的合金，目前廣泛采用精密鑄造成型，例如鑄造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片。為了減少或消除鑄造合金中垂直于應(yīng)力軸的晶界和減少或消除疏松，近年來(lái)又發(fā)展出定向結(jié)晶工藝。這種工藝是在合金凝固過(guò)程中使晶粒沿一個(gè)結(jié)晶方向生長(zhǎng)，以得到無(wú)橫向晶界的平行柱狀晶。實(shí)現(xiàn)定向結(jié)晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立并保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件（見金屬的凝固）。此外，為了消除全部晶界，近年來(lái)還研究單晶葉片的制造工藝。 三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa6 A* s0 h  d4 e2 A1 w; g2 [8 c5 A7 Q
　　粉末冶金工藝 主要用以生產(chǎn)沉淀強(qiáng)化型和氧化物彌散強(qiáng)化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。
# e. K. r% n: U; e9 D+ C三維網(wǎng)技術(shù)論壇　　綜合處理 高溫合金的性能同合金的組織有密切關(guān)系，而組織是受金屬熱處理控制的。高溫合金一般需經(jīng)過(guò)熱處理。沉淀強(qiáng)化型合金通常經(jīng)過(guò)固溶處理和時(shí)效處理。固溶強(qiáng)化型合金只經(jīng)過(guò)固溶處理。有些合金在時(shí)效處理前還要經(jīng)過(guò)一兩次中間處理。固溶處理首先是為了使第二相溶入合金基體,以便在時(shí)效處理時(shí)使γ┡、碳化物（鈷基合金）等強(qiáng)化相均勻析出，其次是為了獲得適宜的晶粒度以保證高溫蠕變和持久性能。固溶處理溫度一般為1040～1220℃。目前廣泛應(yīng)用的合金，在時(shí)效處理前多經(jīng)過(guò)1050～1100℃中間處理。中間處理的主要作用是在晶界析出碳化物和γ┡膜以改善晶界狀態(tài),與此同時(shí)有的合金還析出一些顆粒較大的γ┡相與時(shí)效處理時(shí)析出的細(xì)小γ┡相形成合理搭配。時(shí)效處理的目的是使過(guò)飽和固溶體均勻析出γ┡相或碳化物(鈷基合金)以提高高溫強(qiáng)度，時(shí)效處理溫度一般為700～1000℃。
$ L8 C# Z- ?! Q1 r9 n三維網(wǎng)技術(shù)論壇　　發(fā)展趨勢(shì) 高溫合金發(fā)展的趨勢(shì)是進(jìn)一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長(zhǎng)合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進(jìn)入實(shí)用階段，定向結(jié)晶葉片的綜合性能將得到改進(jìn)。此外，有可能采用激冷態(tài)合金粉末制造多層擴(kuò)散連接的空心葉片，從而適應(yīng)提高燃?xì)鉁囟鹊男枰?。就?dǎo)向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強(qiáng)化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護(hù)涂層材料和工藝也將獲得進(jìn)一步發(fā)展。