镍基高温合金热处理规范

镍基高温合金热处理规范篇一：镍基高温合金镍基高温合金 飞行器工程学院 110622 班 11062228 袁同豪 摘要：定义了高温镍合金，诉说了其发展过程、成份和性能和生产工艺，以及阐述了镍基高温合金的研究、制造与应用 关键字：镍基高温合金 抗氧化 塑性 组织稳定性 固溶 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于 50%) 在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接工艺性能，在 700以下具有满意的热强性和高的塑性。合金可以通过冷加工得到强化，也可以用电阻焊、溶焊或钎焊连接，可供应冷轧薄板、热轧厚板、带材、丝材、棒材、圆饼、环坯、环形锻件等，适宜制作在 1100以下承受低载荷的抗氧化零件。 镍基高温合金是 30 年代后期开始研制的。英国于1941 年首先生产出镍基合金；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出。美国于 40 年代中期，苏联于 40 年代后期，中国于 50 年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50 年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50 年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60 年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60 年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从 40 年代初到 70年代末大约 40 年的时间内，镍基高温合金的工作温度从 700提高到 1100，平均每年提高 10左右。镍基高温合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物 Ni3(Al，Ti)相作为强化相，使合金得到有效的强化，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分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；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。 镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。固溶强化型合金：具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大的部件，如燃气轮机的燃烧室；沉淀强化型合金：通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐 蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高的部件，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等。镍基高温合金，特别是沉淀强化型合金含有较高的铝、钛等合金元素。通常采用真空感应炉熔炼，并经真空自耗炉或电渣炉重熔。热加工采用锻造、轧制工艺，对于高合金化合金，由于热塑性差，则采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。铸造合金通常用真空感应炉熔炼母合金，并用真空重熔-精密铸造法制成零件。变形合金和部分铸造合金需进行热处理，包括固溶处理、中间处理和时效处理，以 Udmet 500 合金为例，它的热处理制度分为四段：固溶处理，1175，2 小时，空冷；中间处理，1080，4 小时，空冷；一次时效处理，843，24 小时，空冷；二次时效处理，760，16 小时，空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。 篇二：镍基高温合金材料研究进展镍基高温合金材料研究进展 姓名：李义锋 1 镍基高温合金材料概述 高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金1。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性2。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一 。 在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有 50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占 40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域 950-1050下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于 50 )、在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金2。它是在 Cr20Ni80 合金基础上发展起来的，为了满足 1000左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co 等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠 Al、Ti 等与 Ni 形成金属问化合物 相(Ni3A1 或 Ni3Ti 等)的析出强化和部分细小稳定 MC、M23C6 碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re 等对晶界起净化、强化作用。添加 Cr 的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。 2 镍基高温合金的发展历程 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它的开发和使用始于 20 世纪 30 年代末期，是在喷气式飞机的出现对高温合金的性能提出更高要求的背景下发展起来的。英国于 1941 年首先生产出镍基合金Nimonic75()，为了提高蠕变强度又添加铝，研制出 Ni-monic80(一)。美国于 40 年代中期，苏联于 40 年代后期，中国于 50 年代中期也研制出镍基高温合金。 镍基高温合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50 年代初，真空熔炼技术的发展为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件；50 年代后期，采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金；60 年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金；为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60 年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从 40 年代初到 70 年代末大约 40 年的时间内，镍基合金的工作温度从 700提高到1100，平均每年提高 10左右。镍基高温合金的发展趋势如图 l 所示。 图 1 镍基高温合金的发展趋势 镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由 于其优异的高温力学 I 生能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-90%的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展3。XX 年后出现了第四代单晶高温合金，例如 MC-NG，EPM-102 和 TMS-162，它们的特征是都添加了钌元素4。一个现代单晶涡轮叶片的成本是等重量的微合金钢的数百倍，不仅反映出构成单晶高温合金元素向贵重或稀缺，更显示出所用工艺的先进程度。3 镍基高温合金的性能研究 （一）力学性能 20 世纪 70 年代，BHKean 等做持久实验时发现，以挤压比 16：1 挤压 In-100 合金，在 1040 的实验温度下得到 1330%的延伸率，并认为这与合金中析出的第二相粒子控制晶粒长大有关。粉末高温合金由于其细晶组织而较易得到超塑性，如 In-l00、In-713、U-700 等镍基高温合金可以通过粉末冶金的方法获得超塑性，其延伸率可以达到 1000%5。利用快速凝固法也可以实现高温合金晶粒的微细化，从而得到组织超塑性现象。 毛雪平等6在 500600高温条件下对镍基合金C276 进行了拉伸力学试验，并分析了温度对弹性模量、屈服应力、断裂强度以及延伸率的影响，发现镍基合金 C276在高温下具有屈服流变现象和良好的塑性。 （二）氧化行为 在高温条件下，抗氧化性靠 Al2O3。和 Cr2O2。保护膜提供，因此镍基合金必须含有这两种元素之一或两者都有，尤其是当强度不是合金主要要求时，要特别注意合金的抗高温氧化性能和热腐蚀性能，高温合金的氧化性能随合金元素含量的不同而千差万别，尽管高温合金的高温氧化行为很复杂，但通常仍以氧化动力学和氧化膜的组成变化来表征高温合金的抗氧化能力。赵越等7在研究 K447在 700950 的恒温氧化行为时发现其氧化动力学符合抛物线规律：在 900以下为完全抗氧化级，在 900950为抗氧化级，而且 K447 氧化膜分为 3 层，外层是疏松的Cr2O3。和 TiO2。的混合物，并含有少量的 NiO 及 NiCr2O4尖晶石；中间层是 Cr2O3；内氧化物层是 Al2O3。并含有少量 TiN，随着温度的升高，表面氧化物的颗粒变大，导致表面层疏松，氧化反应加速进行。 （三）疲劳行为 在实际应用中，各种零部件在承受着高温、高应力的作用时，尤其在启动、加速或减速过程中，快速加热或冷却引起的各种瞬间热应力和机械应力叠加在一起，致使其局部区域发生塑性变形而产生疲劳影响零件寿命，故要研究其高温疲劳行为。何卫锋等在研究激光冲击工艺对 GH742镍基高温合金疲劳性能的影响时发现，激光冲击强化能延长镍基高温合金抗拉疲劳寿命 316 倍以上，延长振动疲劳寿命 214 倍，强化后残余压应力影响层深度达 110mm。郭晓光等在研究铸造镍基高温合金 K435 室温旋转弯曲疲劳行为时发现，在应力比 R= -1，转速为 5000rmin(8313Hz)和实验室静态空气介质环境下，K435 合金室温旋转弯曲疲劳极限为 220MPa，裂纹主要萌生在试样表面或近表面缺陷处，断口主要由裂纹萌生区、裂纹稳态扩展区和瞬间断裂区组成。黄志伟等在研究铸造镍基高温合金 M963 的高温低周疲劳行为时发现，由于高温氧化作用在相同的总应变幅下，M963 合金在低应变速率下具有较短的寿命；因为该合金的强度高、延性低，形变以弹性为主，M963 合金具有较低的塑性应变幅和较低的过渡疲劳寿命。于慧臣等8朝在研究一种定向凝固镍基高温合金的高温低周疲劳行为时发现，由于合金在不同温度范围内具有不同的微观变形机制，温度对合金的变形有明显影响，在 760以下合金呈现循环硬化，而在 850和 980时则表现为循环软化。 （四）高温蠕变行为 当温度 T()Tm 时，材料在恒定载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形。实际上是因为在高温下原子热运动加剧，使位错从障碍中解放出来从而引起蠕变。水丽等在对一种镍基单晶合金的拉伸蠕变特征进行分析时发现，在 9801020、200280MPa 条件下蠕变曲线均由初始、稳态及加速蠕变阶段组成；在拉伸蠕变期间 强化相由初始的立方体形态演化为与应力轴垂直的 N-型筏形状；初始阶段位错在基体的八面体滑移系中运动；稳态阶段不同柏氏矢量的位错相遇，发生反应形成位错网；蠕变末期，应力集中致使大量位错在位错网破损处切人筏状 7 相是合金发生蠕变断裂的主要原因。李楠等在研究热处理对一种镍基单晶高温合金高温蠕变性能的影响时发现，尺寸为 m左右、规则排列的立方 相具有较好的高温蠕变性能，而较小的 相和较大的 相均不利于合金在高温下的蠕变性能，二次时效处理对提高合金高温蠕变强度的作用不大，筏形组织的完善程度影响合金高温下的蠕变性能，二次 相不利于提高合金高温蠕变性能。 4 镍基高温合金的强化研究 （一）热处理 热处理对合金第二相粒子 相的形成、形态和稳定性有重要影响，探索合适的热处理制度对控制和稳定合金的微观组织、提高合金的高温性能有着积极的意义。经过长期反复研究证实，时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒，形成一些体积很小的溶质原子富集区。在时效处理前进行固溶处理时，必须严格控制加热温度，以便使溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中，同时又不致使合金熔化。在进行人工时效处理时，必须严格控制加热温度和保温时间，才能得到比较理想的强化效果；生产中有时采用分段时效，即先在室温或比室温稍高的温度下保温一段时间，然后在更高的温度下再保温一段时间。 （二）表面处理 由于镍基高温合金成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，高温合金零件表面在氧化或热腐蚀环境中表现为表面化学不稳定，同时经机械加工而制成的零件表面留下加工硬化或残余应力等表面缺陷，这对高温合金零件的化学性能和力学性能都带来十分不利的影响。为了消除这些影响，常采用表面防护、喷丸处理、表面晶粒细化以及表面改性等措施。喷丸强化是工业上常用的提高疲劳性能的表面改性工艺技术。高玉魁等发现喷丸强化可以延长 DD6 单晶高温合金在高温下的疲劳寿命，而且随着温度升高，疲劳寿命增益系数下降。在实际应用中发现喷丸处理对材料强化效果不佳，对合金疲劳性能改善甚微，现急需一种效果更好的强化方法来取代喷丸，随着高能脉冲激光器制造水平的提高而发展起来的激光冲击强化技术无疑是一种理想的替代方式，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，是一种新型的金属表面强化技术。 （三）合金元素 镍基高温合金能溶解较多的合金元素，如Cr、W、Mo、Co、Si、Fe、A1、Ti、B、Nb、Ta、Hf 等。这些合金元素加入到基体中可以产生合金强化效应，影响镍基高温合金的性能，改善合金的组织。 在镍基合金中添加微量稀土元素，能提高合金的热加工性能和抗氧化性能。周永军等 I- 在研究稀土对镍基高温合金性能影响的电子理论中发现，稀土与杂质硫相互吸引，其结果是分散和固定部分杂质，可以改善合金高温性能。 最近的研究发现，加入碳可以净化合金液，改善合金的抗腐蚀性能，并且可以减少再结晶的几率，碳的微量加入还有利于降低合金缩孔含量。刘丽荣等在研究碳 篇三：镍基高温合金锻件的热处理镍基高温合金锻件的热处理 XX-12-08 关键字：锻件 在锻造中常用可锻性这一名词表示金属材料在锻造时变形的难易程度。可锻性一般用塑性和变形抗力两个指标来衡量。高温下塑性好、变形抗力低的钢或合金，较容易锻造，由可锻性好；而塑性差、变形抗力大的钢或合金，锻造时易产生裂纹等缺陷，或所需设备吨位较大，锻造较困难，故可锻性差。在国外常评价各种钢及合金的相对可锻性。相应可锻性是基于各种合金在各自锻造温度范围内每消耗单位能量所得到的变形量，同时还考虑了合金在锻造工艺条件下达到规定的急剧变形程度的困难性以及断裂倾向性。可锻性对锻件成形和锻件质量有重要影响，了解和研究各种金属材料的可锻性，对于正确制定锻造工艺和确定锻造设备吨位具有重要意义。1.杂质及合金元素对钢的塑性影响 钢的高温塑性除与冶金质量和锻造热参数等因素有关外，主要取决于它的化学成分。 硫在固溶体中的溶解度极小，在钢中常以 FeS 的形式存在，FeS 与 Fe 形成低熔点(约 985)共晶体，分布于晶界，当钢在 8001200进行锻造时，会因晶界发生熔化而开裂，呈热脆性，因而限制钢中的硫含量在%以下。 磷可溶于铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使其塑性、韧性显著下降，尤其在低温时要为严重，即使钢呈现冷脆性。 氮可溶于铁素体，当钢快冷后在 200250加热时，会有氮化物析出， 使钢的硬度、强度上升，塑性、韧性大为下降，即使钢呈现蓝脆性(时效脆性)。氧在钢中形成的氧化物夹杂如 MnO,SiO2,Al2O3 等，它们的熔点高，硬而脆，其数量、大小及分布情况对钢的塑性有一定影响。而 FeO 与 FeS 可形成低熔点(约 930)共晶体，加剧钢的热脆性。 氢含量高的钢锻造时易产生龟裂，并在冷却过程中易形成白点等缺陷。 碳在锻造温度范围内，若能全部溶入奥氏体，则对钢的塑性影响不大。只有当钢的含碳量较高时，由于较多渗碳体甚至莱氏体从固溶体中析出，钢的塑性才大为下降。锰在钢中可优先形成 MnS(熔点为 1620)，从而减小钢的热脆性。当锰含量大于%时，作为合金元素，促进晶粒长大，使钢容易产生过热。 镍在冶炼过程中可提高钢的吸气能力，尤其是吸收氢的能力，促进钢中形成气泡或产生裂纹。镍与钢中的硫易结合形成低熔点共晶体(Ni3S2Ni)，熔点约为 640，分布于晶界上，在锻造时引起热脆性。 铬是铁素体形成元素，铁素体型的高铬钢晶粒长大倾向大，容易产生过 热。当含碳量少时，所有的铬钢(一直到 30%)塑性都是好的，可以顺利地进行锻造。钨是典型的碳化物形成元素，主要通过它所形成的碳化物起作用，钨对钢塑性的影响视其形成碳化物的数量、大小和分布而定。 钒能细化晶粒，在高温下阻止晶粒长大，是一种显著提高钢的高温塑性的元素。但当钒的含量超过它在 rFe中的溶解度时，将引起晶粒粗化，塑性降低。 钼的碳化物在高温下难于溶解，可阻碍晶粒长大，减轻过热倾向。若钼与硫结合形成 MoS，因 MoS 的熔点较低(11001200)，且其共晶体沿晶界分布呈网状，锻造时容易沿晶界产生裂纹。 铜在钢或合金中，若不溶于固溶体时，便成为游离铜，游离铜在高温下沿晶界扩散，当锻造温度高于铜的熔点(1080)时，因铜液破坏了晶粒间的连续性，将导致发生裂纹或龟裂。 钛与硫形成 TiS，其熔点高于 FeS，可减轻高硫钢的热脆性。 硼被认为是强化和净化晶界的元素，故可提高钢或合金的塑性，但多量 的硼易形成 FeB，沿晶界析出，降低钢的塑性。2.高温塑性热扭转试验是测量钢的可锻性的一种常用手段。顾名思义，它是在试验材料所可能采用的热成形温度范围内选择若干温度，进行棒状试样热扭转直至断裂。试验中纪