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高温合金分类及应用领域

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产品名称: 高温合金分类及应用领域
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高温合金分类及应用领域分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料,抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温合金,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,高温合金分类及应用领域已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。


高温合金分类及应用领域  的详细介绍
高温合金分类及应用领域的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力,延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言,单晶叶片将进入实用阶段,定向结晶叶片的综合性能将得到改进。
高温合金分类及应用领域分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料,抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
高温合金分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料,抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

按照现有的理论,760℃高温材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡**、高压压气机盘和燃烧室等高温部件,还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

高温合金分类及应用领域760℃高温材料发展过程从20世纪30年代后期起,英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间,为了满足新型航空发动机的需要,高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初,英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛,形成γ‘相(gamma prime)以进行强化,研制成种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期,美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要,开始用Vitallium钴基合金制作叶片。

此外,美国还研制出Inconel镍基合金,用以制作喷气发动机的燃烧室。以后,冶金学家为进一步提高合金的高温强度,在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素,增加铝、钛含量,研制出一系列牌号的合金,如英国的“Nimonic”,美国的“Mar-M”“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素,发展出多种高温合金,如X-45HA-188FSX-414等。由于钴资源缺乏,钴基高温合金发展受到限制。

40年代,铁基高温合金也得到了发展,50年代出现A-286Incoloy901等牌号,但因高温稳定性较差,从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金,后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金,逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡**,研制出单晶叶片等高温合金部件,以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

760℃高温材料变形高温合金:变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工,工作温度范围-2531320℃,具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标,具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。GH后位数字表示分类号即1、固溶强化型铁基合金 2、时效硬化型铁基合金 3、固溶强化型镍基合金 4、钴基合金 GH后,二,三,四位数字表示顺序号。

1、固溶强化型合金

使用温度范围为9001300℃,*高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金,室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。

2、时效强化型合金

使用温度为-253950℃,一般用于制作航空、航天发动机的涡**与叶片等结构件。制作涡**的合金工作温度为-253700,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。例如:GH4169合金,在650℃的*高屈服强度达1000MPa;制作叶片的合金温度可达950℃,例如:GH220合金,950℃的拉伸强度为490MPa940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。

变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。 

760800MPa级高温材料铸造高温合金

铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是:

1.具有更宽的成分范围由于可不必兼顾其变形加工性能,合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金,可通过调整成分使γ’含量达60%或更高,从而在高达合金熔点85%的温度下,合金仍能保持优良性能。

2.具有更广阔的应用领域由于铸造方法具有的特殊优点,可根据零件的使用需要,设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。

高温合金分类及应用领域根据铸造合金的使用温度,可以分为以下三类:

类:在-253650℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能,特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金,其650℃拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15%650℃,620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。

第二类:在650950℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金,950℃时,拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%950℃,200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。

第三类:在9501100℃使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金,1100℃、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度*高的涡轮叶片材料,适用于制作新型高性能发动机的上等涡轮叶片。

随着精密铸造工艺技术的不断提高,新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的CA技术等都使铸造高温合金水平大大提高,应用范围不断提高。

高温合金分类及应用领域760800MPa级高温材料粉末冶金高温合金

采用雾化高温合金粉末,经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺,由于粉末颗粒细小,冷却速度快,从而成分均匀,无宏观偏析,而且晶粒细小,热加工性能好,金属利用率高,成本低,尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。

FGH95粉末冶金高温合金,650℃拉伸强度1500MPa1034MPa应力下持久寿命大于50小时,是当前在650℃工作条件下强度水平*高的一种盘件粉末冶金高温合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求,是高推重比发动机涡**、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。

1200100MPa级高温材料氧化物弥散强化(ODS)合金

是采用独特的机械合金化(MA)工艺,超细的(小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中,而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持,具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能。

目前已实现商业化生产的主要有三种ODS合金:

MA956合金在氧化气氛下使用温度可达1350℃,居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。

MA754合金在氧化气氛下使用温度可达1250℃并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。

MA6000合金在1100℃拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa1100℃,1000小时持久强度为127MPa,居高温合金之首位,可用于航空发动机叶片。

金属间化合物高温材料

金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来,对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟,尤其在Ti-AlNi-AlFe-Al系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。

Ti3Al基合金(TAC-1)TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.85.8g/cm3)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点,可以使结构件减重3550%Ni3Al基合金,MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能,展示出极好的应用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能,在中温(小于600)有较高强度,成本低,是一种可以部分取代不锈钢的新材料。

在民用工业的很多领域,服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。为满足市场需要,根据材料的使用环境,归类出系列高温合金。

1、高温合金母合金系列

2、抗腐蚀高温合金板、棒、丝、带、管及锻件

3、高强度、耐腐蚀高温合金棒材、弹簧丝、焊丝、板、带材、锻件

4、耐玻璃腐蚀系列产品

5、环境耐蚀、硬表面耐磨高温合金系列

6、特种精密铸造零件(叶片、增压涡轮、涡轮转子、导向器、仪表接头)

7、玻棉生产用离心器、高温轴及辅件8、钢坯加热炉用钴基合金耐热垫块和滑轨

9、阀门座圈

10、铸造“U”形电阻带

11、离心铸管系列

12、纳米材料系列产品

13、轻比重高温结构材料

14、功能材料(膨胀合金、高温高弹性合金、恒弹性合金系列)

15、生物医学材料系列产品

16、电子工程用靶材系列产品

17、动力装置喷嘴系列产品

18、司太立合金耐磨片

19、超高温抗氧化腐蚀炉辊、辐射管。

超耐热合金典型组织是奥氏体基体,在基体上弥散分布这碳化物、金属间化合物等强化相。高温合金的主要元素有铬、钴、铝、钛、镍、钼、钨等。合金元素起稳定的奥氏体基体组织,形成强化相,增加合金的抗氧化和抗腐蚀能力的作用。常用的高温合金有铁基、镍基和钴基3种。

铁基超耐热合金

铁基高温合金是奥氏体不锈钢发展起来的,含有一定量的铬和镍等元素。它是中等温度(600~800℃)条件下使用的重要材料,具有校核的中温力学性能和良好的热加工塑性,合金成分比较简单,成本较低。主要用于制作航空发动机和工业燃气轮机上涡**,也可以制作导向叶片、涡轮叶片、燃烧室,以及其他承力件、紧固件等。另一用途是制作柴油机上的废气增压涡轮。由于沉淀强化型铁基合金的组织不够稳定抗氧化性较差,高温强度不足,因而铁基合金不能在更高温度条件下应用。

镍基超耐热合金

以镍为基体(含量一般大于50%)、在650~1000℃范围内具有较的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力的高温合金。

镍基合金是高温合金中应用*广、高温强度*高的一类合金。其主要原因,一是镍基合金中可以溶解较多的合金元素,且能保持较好的稳定性;二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ’-[Ni(Al,Ti)]相作为强化相,使合金的得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度 ;三是很含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素,其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用,其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可以分为固溶强化合金和沉淀强化合金:固溶强化元素,如钨、钼、钴、铬、钒等;沉淀强化元素,如铝、钛、铌和钽;晶界强化元素,如硼、锆、镁和稀土元素等。

钴基超耐热合金

钴基超耐热合金是含钴量40%~65%的奥氏体高温合金,在730~1100℃下,具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。用于制作工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片等。钴基合金的发展应考虑钴的资源情况。钴是一种重要的战略资源,世界上大多数国家缺钴,以至于钴基合金的发展受到限制。

钴基合金一般含镍10%~22%,铬20%~30%以及钨、钼、钽和铌等固溶强化和碳化物形成元素,含碳量很高,是一类以碳化物为主要强化相的高温合金。钴基合金的耐热能力与固溶强化元素和碳化物形成元素含量多少有关。

高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力,延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言,单晶叶片将进入实用阶段,定向结晶叶片的综合性能将得到改进。

此外,有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片,从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言,有可能使用氧化物弥散强化的合金,以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能,合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。

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