高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金，”主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料；并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。
基于上述性能特點(diǎn)，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750~780℃，對于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。 鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件。
1、國際發(fā)展
從20世紀(jì)30年代后期起，英、德、美等國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)展時期。40年代初，英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ相以進(jìn)行強(qiáng)化，研制成種具有較高的高溫強(qiáng)度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應(yīng)活塞式航空發(fā)動機(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，美國還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動機(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，研制出一系列牌號的合金，如英國的“Nimonic”，美國的“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，但因高溫穩(wěn)定性較差，從60年代以來發(fā)展較慢。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，后來生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。70年代美國還采用新的生產(chǎn)工藝制造出定向結(jié)晶葉片和粉末冶金渦 ，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應(yīng)航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度不斷提高的需要。
發(fā)展至今，國際市場每年高溫金屬合金消費(fèi)量在30萬噸，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域：過去多年，全球航天業(yè)對新能源飛機(jī)需求旺盛，目前空客與波音已有超萬架此類飛機(jī)等待交付。而精密機(jī)件公司是全球高溫合金復(fù)雜金屬零部件和產(chǎn)品制造的龍頭企業(yè)，也為航空航天、化學(xué)加工、石油和天然氣的冶煉以及污染的防治等行業(yè)提供所需的鎳鈷等高溫合金。精密機(jī)件公司就是波音、空客、勞斯萊斯、龐巴迪等軍工航天企業(yè)的指定零配件制造商 [1] 。
1、GH4169高溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種復(fù)雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時，也是所有高溫合金中為注目的一種合金。它的相對使用溫度在所有普通合金系中也是的。目前，先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)中這種合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由國際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公開介紹的時效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強(qiáng)化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和良好的塑性，具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定，成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能，目前被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片、渦 、渦輪軸、機(jī)匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等 [3] 。
我國于70年代開始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤件，使用時間比較短，所以采用真空感應(yīng)加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，提高和改進(jìn)材料質(zhì)量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當(dāng)前GH4169合金的主要研究方向?yàn)椋?br /> （1）改進(jìn)冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序穩(wěn)定操作，使合金顯組織更加均勻，從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強(qiáng)度以及抗裂紋擴(kuò)展止裂能力，提高低周疲勞強(qiáng)度等；
（2）改進(jìn)熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的鋼錠中心的偏析，所以對組織的均勻性有不利影響，因此采用合理的均勻化退火工藝，得到細(xì)晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一；
（3）改進(jìn)使用設(shè)計(jì)。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)；
（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動機(jī)部件的長壽命要求，對于提高GH4169合金長期時效組織穩(wěn)定性方面也是至關(guān)重要的。
2、單晶高溫合金
目前單晶合金材料已發(fā)展到第四代，承溫能力到1140℃，已近金屬材料使用溫度極限。未來要進(jìn)一步滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的需求，葉片的研制材料要進(jìn)一步拓展，陶瓷基復(fù)合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。
單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，普通復(fù)雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長的時間。從單晶實(shí)心葉片到單晶空心葉片、到氣冷復(fù)雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復(fù)雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認(rèn)、模具設(shè)計(jì)到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時間。但單晶葉片由于其復(fù)雜的服役環(huán)境，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，一般一種普通結(jié)構(gòu)的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用需5～10年的時間，有的隨發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度，甚至需要15年或更長的時間 [4] 。
C-59合金可以很容易地用普通制作工藝來加工。
1、加熱 C-59合金在熱處理前和熱處理過程中不可以和任何污染物接觸。 在含有S、P、Pb和其它低熔點(diǎn)金屬的環(huán)境中加熱，會使C-59合金的性能下降。污染物的來源主要有標(biāo)記筆痕跡、溫度指示漆、粉筆、潤滑油脂、燃料等。 加熱爐燃料的含硫量必須低，天然氣的含硫量必須低于0.1%(質(zhì)量)，燃料油的含硫量不可超過0.5%。 爐氣環(huán)境應(yīng)該是輕的氧化性，不可以在氧化性和還原性之間波動。不可以讓火焰直接沖擊合金材料。
2、熱加工 C-59合金可以在950-1180℃之間進(jìn)行熱加工。冷卻要用水急冷。 熱加工后退火可以確保材料有良好的耐蝕性能。
3、冷加工 退火的C-59合金才可以用來冷加工，C-59合金的加工硬化率是很高的，對成形設(shè)備的要求要高一些。 當(dāng)冷變形加工執(zhí)行時，工序間退火是必要的。
4、熱處理 固溶熱處理溫度應(yīng)該在1100-1180℃，在1120℃處理。 水冷是確保材料有耐蝕性能的基本要點(diǎn)。在任何熱操作過程中，材料表面必須清潔。
5、除垢 C-59合金焊縫附近的氧化物比其它不銹鋼要緊密的多，可以用細(xì)砂輪打磨干凈。 酸洗前，材料表面的氧化物、污點(diǎn)等可以用細(xì)砂輪或不銹鋼絲刷打磨干凈。
6、機(jī)加工 機(jī)加工C-59合金應(yīng)該是固溶處理狀態(tài)。由于其加工硬化率較大，所以相對于低合金奧氏體不銹鋼來說，要采用較低的表面切削速度，且進(jìn)刀量要大，以忽略硬度較高的表面。同時要讓刀具處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。
九、焊接焊接鎳基合金時，要遵守下列操作規(guī)程：
1、工作場地 C-59合金的焊接場該是獨(dú)立的，和碳鋼加工場地分開，同時不可以有氣流擾動。
2、著裝 焊接著裝應(yīng)該采用皮革手套和工作服。
3、加工工具和機(jī)械 工具要采用鎳基合金專用工具，制造和加工機(jī)械如：剪板機(jī)、卷板機(jī)、壓制機(jī)械等，其工作臺面要用毛氈、紙板、塑料等覆蓋，防止C-59合金表面在加工過程中被壓入污染物，導(dǎo)致終的腐蝕。
4、清理 基材金屬的焊縫區(qū)域清理和填料金屬的清理應(yīng)該使用丙酮。
5、坡口準(zhǔn)備 C-59合金的焊接坡口成形可以采用機(jī)械方法，如車削成形、磨削成形或刨制成形；等離子切割也是可以的，不過切割后的坡口要打磨干凈，并且不可以使坡口附近過熱。
6、坡口角度一般焊接后應(yīng)該立即用不銹鋼絲刷刷去氧化部分。 鎳基合金和特種不銹鋼相對于普通碳鋼的一般區(qū)別在于其有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)和有較高的熱膨脹率。其焊接焊腳要大(1-3 mm)，坡口角度要在60-70°左右，主要因?yàn)镃-59合金的熔化金屬有較高的粘性，而且其焊后收縮傾向比較大。
7、引弧 引弧時只可以在即將焊接的焊縫區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，不可以在已完成的焊接件上，以免造成耐蝕性能的下降。
8、焊接工藝 C-59合金可以用多種常規(guī)焊接工藝焊接，如：TIG/GTAW，MIG/MAG，手工金屬焊接、等離子弧焊等。不過焊接前的清理是必要的。
9、焊接參數(shù)和有關(guān)影響因素 焊接時要謹(jǐn)慎選擇熱輸入量，一般要采用較低的熱輸入量，層間溫度不要超過150℃。同時采用較薄的焊道焊接工藝。
一般焊接后應(yīng)該立即用不銹鋼絲刷刷去氧化部分。
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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(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗yang化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點(diǎn)，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(diǎn)，因而限制了它的應(yīng)用。爐外精煉技術(shù)（AOD或VOD）的應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，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(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)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(xué)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(qiáng)韌性組合，主要用于蒸汽輪機(jī)葉片、餐具、外科手術(shù)器械。根據(jù)化學(xué)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(qiáng)化機(jī)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(yàn)，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(chǔ)上演變，主要有以下幾方面的重要發(fā)展：
1) 加Mo改善點(diǎn)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(qiáng)度
4) 加Ni改善抗應(yīng)力腐蝕性能.
5) 加S、Se改善切削性和構(gòu)件表面精度.
