鎳基高溫合金材料研究進(jìn)展匯總

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1、.鎳基高溫合金材料研究進(jìn)展姓名：李義鋒1鎳基高溫合金材料概述高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，在高溫環(huán)境下服役，并能承受嚴(yán)酷的機(jī)械應(yīng)力及具有良好表面穩(wěn)定性的一類合金[1]。高溫合金一般具有高的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力、良好的組織穩(wěn)定性和使用的可靠性[2]。因此，高溫合金既是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的關(guān)鍵材料，又是艦船、能源、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的重要材料，已成為衡量一個(gè)國家材料發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域中，鎳基高溫合金占有特殊重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更

2、高的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件。現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)有50%以上質(zhì)量的材料采用高溫合金，其中鎳基高溫合金的用量在發(fā)動(dòng)機(jī)材料中約占40%。鎳基合金在中、高溫度下具有優(yōu)異綜合性能，適合長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，能夠抗腐蝕和磨蝕，是最復(fù)雜的、在高溫零部件中應(yīng)用最廣泛的、在所有超合金中許多冶金工作者最感興趣的合金。鎳基高溫合金主要用于航空航天領(lǐng)域950-1050℃下工作的結(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。因此，研究鎳基高溫合金對(duì)于我國航天航空事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。鎳基高溫合金是以鎳為基體

3、(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[2]。它是在Cr20Ni80合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為了滿足1000℃左右高溫?zé)釓?qiáng)性(高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、高溫疲勞強(qiáng)度)和氣體介質(zhì)中的抗氧化、抗腐蝕的要求，加入了大量的強(qiáng)化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保證其優(yōu)越的高溫性能。除具有固溶強(qiáng)化作用，高溫合金更依靠Al、Ti等與Ni形成金屬問化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出強(qiáng)化和部分細(xì)小穩(wěn)定MC、M23C6碳化物的晶內(nèi)彌散強(qiáng)化以及B、Zr、Re等對(duì)晶界起凈化、強(qiáng)

4、化作用。添加Cr的目的是進(jìn)一步提高高溫合金抗氧化、抗高溫腐蝕性能。鎳基高溫合金具有良好的綜合性能，目前已被廣泛地用于航空航天、汽車、通訊和電子工業(yè)部門。隨著對(duì)鎳基合金潛在性能的發(fā)掘，研究人員對(duì)其使用性能提出了更高的要求，國內(nèi)外學(xué)者已開拓了針對(duì)鎳基合金的新加工工藝如等溫鍛造、擠壓變形、包套變形等。2鎳基高溫合金的發(fā)展歷程鎳基高溫合金在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它的開發(fā)和使用始于20世紀(jì)30年代末期，是在噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)對(duì)高溫合金的性能提出更高要求的背景下發(fā)展起來的。英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic75(Ni--20

5、Cr-0.4Ti)，為了提高蠕變強(qiáng)度又添加鋁，研制出Ni-monic80(Ni--20Cr--2.5Ti一1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基高溫合金。鎳基高溫合金的發(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；50年代后期，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

6、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)如圖l所示。..圖1鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)是耐高溫能力更強(qiáng)的單晶高溫合金。單晶高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)I生能得到了廣泛應(yīng)用。至今，單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第四代。使用溫度接近合金熔點(diǎn)80-90%的第三代鎳基單晶高溫合金代表了上個(gè)世紀(jì)末高溫合金發(fā)展的最高水平。目前，更加優(yōu)良的第四代單晶的研制已經(jīng)取得了初步進(jìn)展[3]。2000年后出現(xiàn)了第四代單晶高

7、溫合金，例如MC-NG，EPM-102和TMS-162，它們的特征是都添加了釕元素[4]。一個(gè)現(xiàn)代單晶渦輪葉片的成本是等重量的微合金鋼的數(shù)百倍，不僅反映出構(gòu)成單晶高溫合金元素}向貴重或稀缺，更顯示出所用工藝的先進(jìn)程度。3鎳基高溫合金的性能研究（一）力學(xué)性能20世紀(jì)70年代，B．H．Kean等做持久實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，以擠壓比16：1擠壓In-100合金，在1040℃..的實(shí)驗(yàn)溫度下得到1330%的延伸率，并認(rèn)為這與合金中析出的第二相粒子控制晶粒長(zhǎng)大有關(guān)。粉末高溫合金由于其細(xì)晶組織而較易得到超塑性，如In-l00、In-713、U-700等鎳基高溫

8、合金可以通過粉末冶金的方法獲得超塑性，其延伸率可以達(dá)到1000%[5]。利用快速凝固法也可以實(shí)現(xiàn)高溫合金晶粒的微細(xì)化，從而得到組織超塑性現(xiàn)象。毛雪平等[6]在500~600℃高溫條件下對(duì)鎳基合