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市場(chǎng)分析新型高溫合金主要包括:粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤(rùn)材料等四種:
粉末高溫合金技術(shù):FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分?jǐn)?shù)為$,-左右,其形成元素的原子分?jǐn)?shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應(yīng)熔煉制取母合金,然后霧化制取預(yù)合金粉末,進(jìn)而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比,它具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前650度工作條件下強(qiáng)度水平的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,如渦 和承力環(huán)件等 [7] 。
金屬間化合物用于制作各類先進(jìn)運(yùn)載工具動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)件,減少自重、提能;
ODS合金具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能,可用于制造發(fā)動(dòng)鍵部件,也可用于火力發(fā)電系統(tǒng)、煤氣化爐、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等;
高溫金屬基自潤(rùn)滑材料主要用于生產(chǎn)高溫自潤(rùn)滑軸承,主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤(rùn)滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤(rùn)滑軸承(包括鑄鋼表面硫化處理軸承)在冶金設(shè)備上的應(yīng)用,該高溫自潤(rùn)滑軸承具有強(qiáng)度高、承載能力大、潤(rùn)滑效果好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、噪音小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) [6] 。
鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。鎳基高溫合金(以下簡(jiǎn)稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國(guó)于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);為了提高蠕變強(qiáng)度又添加鋁,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國(guó)于40年代中期,蘇聯(lián)于40年代后期,中國(guó)于50年代中期也研制出鎳基合金。
鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面:合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。50年代初,真空熔煉技術(shù)的發(fā)展,為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期,由于渦輪葉片工作溫度的提高,要求合金有更高的高溫強(qiáng)度,但是合金的強(qiáng)度高了,就難以變形,甚至不能變形,于是采用熔模精密鑄造工藝,發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要,60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi),鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃,平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)見圖1。
所謂雙相不銹鋼是在其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相各占一半,一般少相的含量也需要達(dá)到30%。
由于兩相組織的特點(diǎn),通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝,使DSS(Duplex Stainless Steel,簡(jiǎn)稱DSS),兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優(yōu)勢(shì)如下:
⑴屈服強(qiáng)度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多,且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲(chǔ)罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%,有利于降低成本。
⑵具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力,即使是含合金量 的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力,尤其在含氯離子的環(huán)境中。應(yīng)力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。
⑶在許多介質(zhì)中應(yīng)用普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼,而超級(jí)雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性,在一些介質(zhì)中,如醋酸,甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼,乃至耐蝕合金。
⑷具有良好的耐局部腐蝕性能,與合金含量相當(dāng)?shù)膴W氏體不銹鋼相比,它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼。
⑸比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低,和碳鋼接近,適合與碳鋼連接,具有重要的工程意義,如生產(chǎn)復(fù)合板或襯里等。
⑹不論在動(dòng)載或靜載條件下,比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力,這對(duì)結(jié)構(gòu)件應(yīng)付突發(fā)事故如沖撞,爆炸等,雙相不銹鋼優(yōu)勢(shì)明顯,有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢(shì)如下:
⑴應(yīng)用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼,例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下。
⑵其塑韌性較奧氏體不銹鋼低,冷,熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。
⑶存在中溫脆性區(qū),需要嚴(yán)格控制熱處理和焊接的工藝制度,以避免有害相的出現(xiàn),損害性能。
與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優(yōu)勢(shì)如下:
⑴綜合力學(xué)性能比鐵素體不銹鋼好,尤其是塑韌性,不象鐵素體不銹鋼那樣對(duì)脆性敏感。
⑵除耐應(yīng)力腐蝕性能外,其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼。
⑶冷加工工藝性能和冷成型性能遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼。
⑷焊接性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼,一般焊前不需預(yù)熱,焊后不需熱處理。
⑸應(yīng)用范圍較鐵素體不銹鋼寬。與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢(shì)如下:合金元素含量高,價(jià)格相對(duì)高,一般鐵素體不含鎳。
綜上所述,可以概括地看出DSS的使用性能和工藝性能的樣貌,它以其優(yōu)越的力學(xué)與耐腐蝕綜合性能贏得了使用者的青睞,已成為既節(jié)省重量又節(jié)省投資的優(yōu)良的耐蝕工程材料。
我國(guó)發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)研制先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī),將帶來市場(chǎng)對(duì)高端和新型高溫合金的需求增加。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花”,是航空工業(yè)中技術(shù)含量、難度的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī),特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前,在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。
在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上,高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦 四大熱段零部件;此外,還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領(lǐng)域
高溫合金在能源領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。煤電用高參數(shù)超超臨界發(fā)電鍋爐中,過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好,在蒸汽側(cè)抗氧化性能和在煙氣側(cè)抗腐蝕性能優(yōu)異的高溫合金管材;在氣電用燃?xì)廨啓C(jī)中,渦輪葉片和導(dǎo)向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領(lǐng)域中,蒸汽發(fā)生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節(jié)能減排領(lǐng)域,廣泛采用抗高溫?zé)岣g和抗高溫磨蝕性能優(yōu)異的高溫合金;在石油和天然氣開采,特別是深井開采中,鉆具處于4-150 ℃的酸性環(huán)境中,加之CO2,H2S和泥沙等的存在,必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5] 。
我國(guó)上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機(jī)廠等大型發(fā)電設(shè)備制造集團(tuán)在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高,拉動(dòng)了對(duì)發(fā)電設(shè)備用的渦 的需求。正在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制的新一代發(fā)電裝備-大型地面燃機(jī)(也可作艦船動(dòng)力)取得了顯著進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后將帶動(dòng)對(duì)高溫合金的需求。同時(shí),核電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,也將拉動(dòng)對(duì)國(guó)產(chǎn)高溫合金的需求。
1、含錸單晶葉片的研究
在單晶的成分設(shè)計(jì)中,要兼顧合金性能和工藝性能,由于單晶中不存在晶界,并應(yīng)用在較為苛刻的環(huán)境下,所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發(fā)展,合金的化學(xué)成分具有如下變化趨勢(shì):引入Re元素,引入Ru、Ir等鉑族元素,增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量;難熔元素的加入總量增加,C、B、Hf等元素從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量使用”;降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩(wěn)定。
含錸單晶葉片大幅了其耐溫能力及蠕變強(qiáng)度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4,GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與代單晶合金相比,通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了鈷和鉬元素的含量,使其工作溫度提高了30℃,持久強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力達(dá)到很好的平衡。
含錸單晶葉片是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的趨勢(shì)。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高,從而很快得到了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)界的普遍認(rèn)可,幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片 [6] 。