傳統(tǒng)的劃分高溫合金材料可以根據(jù)以下3 種方式來進行: 按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。
1、按基體元素種類
⑴鐵基高溫合金
鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。 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、時效的加工過程,可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅。目前就高溫環(huán)境使用的高溫合金來分析,使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產(chǎn)量、使用量的一種高溫合金. 很多渦輪發(fā)動機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。半個多世紀以來,航空發(fā)動機所應用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應該說,這一巨大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%,同時需要加入Cr、Ni 等元素來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℃) 和較長時間受極限復雜應力高溫零部件,例如航空發(fā)動機的工作葉片、渦 、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動機等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能,一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co,以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。
2、合金強化類型
根據(jù)合金強化類型,高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
⑴固溶強化型
所謂固溶強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陣發(fā)生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導致交滑移難于進行,合金被強化,達到高溫合金強化的目的。
⑵時效沉淀強化
所謂時效沉淀強化即合金工件經(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℃的屈服強度達1 000 MPa,制作葉片的合金溫度可達950℃。
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鐵素體不銹鋼在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。含鉻量在11%~30%,具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳,有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素,這類鋼具導熱系數(shù)大,膨脹系數(shù)小、抗yang化性好、抗應力腐蝕優(yōu)良等特點,多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點,因而限制了它的應用。爐外精煉技術(shù)(AOD或VOD)的應用可使碳、氮等間隙元素大大降低,因此使這類鋼獲得廣泛應用。
奧氏體——鐵素體雙相不銹鋼是奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼。在含C較低的情況下,Cr含量在18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti,N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點,與鐵素體相比,塑性、韌性更高,無室溫脆性,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高,同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數(shù)高,具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比,強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能,也是一種節(jié)鎳不銹鋼。
馬氏體不銹鋼通過熱處理可以調(diào)整其力學性能的不銹鋼,通俗地說,是一類可硬化的不銹鋼。典型牌號為Cr13型,如2Cr13,3Cr13,4Cr13等。粹火后硬度較高,不同回火溫度具有不同強韌性組合,主要用于蒸汽輪機葉片、餐具、外科手術(shù)器械。根據(jù)化學成分的差異,馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據(jù)組織和強化機理的不同,還可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體和半奧氏體(或半馬氏體)沉淀硬化不銹鋼以及馬氏體時效不銹鋼等。
對于產(chǎn)品的檢驗,知道產(chǎn)品的來源和組織性能是無損檢測 的手段,也是NDT從業(yè)者的創(chuàng)新。
成分組成在18-8型不銹鋼的成分基礎上演變,主要有以下幾方面的重要發(fā)展:
1) 加Mo改善點蝕和耐縫隙腐蝕
2) 降C或加Ti、Nb,減少晶間腐蝕傾向
3) 加Ni和Cr改善高溫抗yang化性和強度
4) 加Ni改善抗應力腐蝕性能.
5) 加S、Se改善切削性和構(gòu)件表面精度.
變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理,包括固溶處理、中間處理和時效處理,以Udmet 500合金為例,它的熱處理制度分為四段:固溶處理,1175℃,2小時,空冷;中間處理,1080℃,4小時,空冷;一次時效處理,843℃,24小時,空冷;二次時效處理,760℃,16小時,空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。
渦 是航空發(fā)動機上一個十分重要的關(guān)鍵零件。渦 工作溫度雖然比葉片低,但工作環(huán)境異常復雜,且在輪心、輪緣、榫齒、槽底和腹板等各部位所受應力、溫度、介質(zhì)作用程度都不同。因此,對渦 材料性能提出如下典型要求:高的屈服強度;足夠的塑性儲備;足夠的蠕變、持久強度和塑性;高的疲勞強度和低周疲勞性能;良好的耐腐蝕性、組織穩(wěn)定性與可加工性。一句話,材料的綜合性能要好。
渦 用材料大部分是沉淀強化的鐵基或鎳基變形高溫合金,一些盤件開始采用粉末高溫合金制備,但是從制備工序、成本等角度考慮,粉末高溫合金渦 無法替代變形高溫合金渦 。 [1]
航空發(fā)動機用的機匣、轉(zhuǎn)子封嚴環(huán)和蜂窩環(huán)零件國內(nèi)外較多地采用低膨脹高溫合金制備。低膨脹合金是發(fā)動機實現(xiàn)間隙控制技術(shù),減少燃氣損失和提高熱效率不可替代的功能結(jié)構(gòu)材料。低膨脹高溫合金的特點是綜合性能好、強度較高、膨脹系數(shù)低、彈性模量幾乎恒定,在約380℃(居里點)以下至室溫,合金熱膨脹系數(shù)幾乎為常量。因此,采用低膨脹高溫合金制備的壓氣機匣在飛機巡航飛行時,有利于間隙的封嚴,提高壓氣效率,加大推力。我國研制的低膨脹高溫合金主要有GH2907、GH2909、GH4783等。我國新研制的GH4783是一種抗氧化新型低膨脹高溫合金,膨脹系數(shù)比GH4169合金低20%,密度比GH4169低20%,只有7.789/cm3,工作溫度可達750℃。對應的美國牌號的Inconel783合金已被用作F-22戰(zhàn)斗機用發(fā)動機F119-PW的各種環(huán)形件。
我國應用的板材變形合金主要有20多個牌號。它們的共同特點是塑性好,具有中等強度,焊接性能優(yōu)異,還有較好的抗氧化和抗腐蝕性能。主要用于制作發(fā)動機動力裝置的燃燒室、加力燃燒室、飛機機尾罩、導流罩、襯筒和軍用衛(wèi)星毛細管等。航空發(fā)動機燃燒室零件大多采用固溶強化合金制造。近期,發(fā)動機生產(chǎn)中為了減輕結(jié)構(gòu)重量,采用時效強化的板材合金來制造燃燒室零件,取得了良好效果。采用時效強化的變形高溫合金制造加力燃燒室殼體,可大幅度減輕發(fā)動機重量,但其成形和焊接比固溶強化合金要困難。
此外,在航空發(fā)動機中,變形高溫合金還用于制備渦輪軸、渦輪葉片等。隨著先進航空發(fā)動機推重比的進一步提高,燃燒室入口溫度和出口溫度大幅提高,必須采用耐更高溫度的新合金材料。需求牽引。因此,變形高溫合金必須加大研究力度,進一步提高性能,滿足我國先進航空發(fā)動機的研制需要。 [1]
發(fā)展前景編輯
變形高溫合金不但是我國生產(chǎn)和研制新型航空發(fā)動機需要的重要材料,而且在艦船制造、工業(yè)燃氣輪機、航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應堆和化學工業(yè)等領(lǐng)域應用廣泛,是一種十分重要的高溫材料。當前,變形高溫合金總體上向承溫更高、精密成形和低成本方向發(fā)展。通過不斷挖掘合金潛力,采用新技術(shù)、新工藝,可大幅提高變形高溫合金材料的質(zhì)量和性能,滿足我國先進航空發(fā)動機的需求。須加大研究力度,進一步提高性能,滿足我國先進航空發(fā)動機的研制需要。 [2]