第8讲高温合金和铸铁.ppt

由此可知 作为高温合金材料必须具备如下的基本要求 1 高的热强性 合金在高温下具有高的抵抗塑性变形和断裂的能力 2 高的热稳定性 合金在高温下具有高的抵抗氧化和燃气腐蚀的能力 3 良好的工艺性能 即合金在冶炼 铸造 锻造 冷压 焊接 热处理和切削加工方面具有满意的工艺性能 便于加工成成品 此外 在物理性能方面也有所要求 例如高的比强度和弹性模量 大的导热系数 小的热膨胀系数等 要完全满足上述要求是很困难的 因此 在选材时 应根据其不同的服役条件 有针对性地进行合理地选用 2 评定高温合金的主要性能指标A 蠕变 蠕变是金属材料在恒定应力和长时间的作用下产生缓慢塑性变形的一种现象 蠕变对于高温下工作的零件具有重要意义 若设计或选材不当 蠕变产生的过量变形可以使零件失效和破坏 如涡轮叶片蠕变过量会与壳体碰撞产生事故 蠕变现象可用蠕变时的变形与时间的关系曲线 蠕变曲线来描述 oa段 加载后所引起的瞬时变形 如应力超过弹性极限 则瞬时变形由弹性变形和塑性变形组成 它不是蠕变现象的发生 而是外载荷引起的一般变形过程 ab段 蠕变第一阶段 该阶段蠕变速度逐渐减小 又称为减速蠕变阶段 bc段 蠕变第二阶段 因该阶段蠕变速度几乎不变 又叫恒速蠕变阶段 cd段 蠕变第三阶段 该阶段蠕变速度不断增加直到断裂 也叫加速蠕变阶段 蠕变现象发生的原因是由于金属原子在高温下活动能力显著增强 使扩散过程易于进行 致使室温下起强化作用的因素逐渐减弱或完全消失 如促进回复和再结晶过程 使晶界相对移动 使过饱和固溶体分解 或使弥散相发生聚合等 所有这些都会使金属的形变强化 晶界强化和相变强化的效果部分或全部消失 因此 金属在高温下随时间延长而抵抗塑性变形能力显著减弱 从而产生材料的蠕变 蠕变性能的评定指标 蠕变极限 蠕变极限是指金属在一定温度下 一定时间内 产生一定变形量时的应力大小 用符号表示 右上标为温度 右下标为变形速度 B 持久强度 金属在一定温度下 在规定时间内合金断裂时的应力值 用符号表示 有时也用持久寿命来表示 指金属在一定温度和应力作用下断裂的时间 用符号表示 单位为小时 C 表面热稳定性 抗氧化和抗腐蚀性能高温氧化是氧与合金元素作用生成各种氧化物的现象 一般用在一定温度下 一定时间内 每平方米内增重的克数来比较合金的抗氧化能力 热腐蚀是近年来发现的问题 机理仍未完全弄明白 一般认为是由于燃料中的杂质硫 钒 钠等在高温燃烧时 生成熔融状态的Na2SO4粘附于零件表面上 发生复杂的反应而使材料迅速破坏 抗氧化和抗腐蚀性能是评定工业燃气轮机和船用燃气轮机材料的重要性能指标 3 提高高温合金耐热性的途径 合金耐热性 包括热稳定性和热强性两个方面 提高高温合金热稳定性的措施 1 在零件表面上加一层抗氧化的保护膜 如渗铝 渗铬 渗硅或者喷上一层高强保护涂层 主要有Al2O3 ZrO2 Cr2O3所组成 2 提高合金基体热稳定性 就是在基体金属中加入一定量的合金元素 使合金在高温下表面形成一层致密的保护性氧化膜 这类元素主要有铬 铝 硅 但加铝使合金冶炼性能变坏 在热加工和热处理时会发生脱碳或者石墨化 加硅使合金变脆 也有石墨化和脱碳问题 因此 铝和硅不能多加 只有铬元素不仅能够提高合金的热稳定性 而且改善其机械性能 因此 铬是高温合金的主加元素 含铬越高 抗氧化温度越高 提高高温合金的热强性 就是使合金在高温下具有阻碍蠕变过程发展的能力 1 用高熔点金属作为合金的基体 高熔点金属 原子间结合力强 高温下不易产生塑性变形 也就是抗蠕变能力强 熔点较高 可能作为高温合金基体的金属如表3 15所示 钛 铌 钼 钨虽然熔点较高 但钛化学活性大 易吸收气体而污染 目前只能使用在600 以下 铌 钼 钨高温下氧化太快 加之钨比重很大 目前都未能成为实用高温合金的基体金属 现在常用高温合金基体金属仍以铁 镍 钴为基 2 合金化 在基体金属中加入适量合金元素 是提高高温合金热强性的最有效方法 其作用机理 固溶强化 合金元素溶入基体金属形成固溶体 引起点阵畸变 提高原子间结合力 使元素在固溶体中扩散能力降低 提高合金再结晶温度 从而增强合金高温强度 如铁基合金中常加入铬 镍 钼 钨等 时效沉淀强化 加入适当合金元素形成碳化物或金属间化合物 通过固溶时效处理 使过饱和固溶体脱溶 析出弥散分布第二相 碳化物或金属间化合物 有效阻碍位错运动和蠕变发展 显著提高合金高温强度 如镍基合金中加入铝 钛 铌等元素 形成金属化合物 相 Nb3 Al Ti 其强化效果可高达0 65 0 7T熔 晶界强化 晶界在高温下是个薄弱环节 由于在高温和应力长时间作用下 裂纹首先在晶界发生 因此 强化晶界对于高温合金具有重要意义 在高温合金中加入微量的某些表面活性元素如硼 铈 锆等 由于其内吸附现象而富集于晶界 填补晶界空位 减少缺陷 降低蠕变过程中的晶界扩散 从而抑制了强化相在晶界聚集和长大 同时还能去除有害气体和杂质元素 使晶界强化 有效提高高温强度 弥散强化 采用粉末冶金方法在高温合金中加入高弥散硬质点 这些质点具有高热稳定性 与基体金属结合牢固 但又不发生化学反应 能阻碍位错运动 降低扩散速度 有效提高合金高温强度 例如TD Ni合金 Ni 2 ThO2 在1200 时仍未发生再结晶 强化效果可达0 8 0 85T熔 利用铸造合金组织的特殊分布 铸造高温合金中的化合物 往往呈网状或骨骼状分布 且比较稳定 晶粒又比较粗大 减少了晶界 能显著提高合金高温强度 但铸造合金脆性较大 多适于不受冲击的高温零件 采用定向结晶的方法使铸件得到柱状晶 如镍基合金铸造的涡轮叶片 采用定向结晶 消除垂直于主应力轴取向的晶界 有效提高了合金的高温强度 适当的热处理 高温合金通常采用固溶处理 使合金元素溶入基体 充分发挥固溶强化的作用 若再经时效处理 可使碳化物或金属化合物沉淀相呈弥散分布 发挥沉淀强化和晶界强化的作用 有的合金可采用二次固溶或者中间时效处理 以获得适当大小的晶粒 使碳化物或金属化合物在数量 大小和分布上更为有利 综上所述 提高合金的高温强度 主要是正确地选择合金的成分及获得适当的组织 但要充分发挥合金元素的作用以及获得所需要的组织 很大程度上依赖于适当的热处理 至于合金采用何种强化方式 则取决于合金的成分 零件的服役条件和对成型工艺方法的要求 4 高温合金的分类和编号高温合金按基体金属不同分为铁基 镍基和钴基高温合金 如Fe Ni Cr基合金 Ni Cr Co基合金等 钴基合金在国外有相当的发展 但在我国由于资源的限制 应用较少 按生产工艺成型方法 高温合金则分为变形高温合金 用于锻造 轧制成型 和铸造高温合金 用于精密铸造成型 高温合金的编号 变形高温合金以拼音GH 序号数字表示 如GH135表示135号变形高温合金 铸造高温合金则以字母K 序号数字表示 如K1 表示1号铸造高温合金 二 铁基高温合金航空产品 尤其是航空发动机所用的铁基高温合金 包括铁基和铁镍基合金 基体都是奥氏体组织 前者即奥氏体型耐热钢 后者含镍量高达30 40 习惯上也称为铁基合金 这类合金具有面心立方点阵的奥氏体基体组织 其原子间结合力较强 再结晶温度较高 比以铁素体为基体的合金耐热性高 目前我国使用的铁基和铁镍基高温合金的一些主要牌号 GH131 GH140 GH69 GH36 GH132 GH135 GH302 K13 K14等 这类合金的热处理一般通过三个过程 固溶处理 中间处理 稳定化处理 时效处理 固溶处理的目的是使强化相溶入基体 获得成分均匀的过饱和固溶体 并控制晶粒度 中间处理是在比时效温度更高的温度下进行 目的是改变晶界碳化物状态和大小 最后的时效处理则是使强化相充分而均匀地析出 如发动机燃烧室采用GH140合金 而涡轮轮盘则采用GH135合金 三 镍基高温合金 高温合金中性能最好 使用最广 品种最多的合金 根据生产工艺 分为变形合金和铸造合金 按强化手段不同 有固溶强化型合金如GH39 GH44 GH128等 在固溶处理状态使用 还有时效强化型合金如 GH33 GH118 GH128等 镍基合金中加入的合金元素很复杂 主要有固溶强化元素如Ni Cr W Mo Co等 强化相形成元素如铝 钛 铌 钼等 晶界强化元素如碳 硼 锆 稀土铈等微量元素 镍基合金的热处理与铁 镍基合金相似 包括固溶 中间和时效处理三个过程 固溶强化类镍基合金用来制造形状复杂 冷压成型 焊接成型 受力不大的 抗氧化能力较高的高温零件 时效强化类镍基合金用来制造既承受很高温度又承受很高应力的重要零件 如涡轮叶片 高温镍基铸造合金 用于制造工作温度在900 950 的导向叶片或涡轮叶片 镍基合金的典型显微组织如图所示 可以看出 合金的显微组织随合金强度的提高而演变的情况 由固溶强化的单相奥氏体 晶界有少量碳化物 演变为以 相强化的多相合金 图a 为固溶强化合金 图b c 为 相强化变形合金 d e f 为铸造合金组织 对于固溶强化合金 随着合金强度的提高 合金强化元素的饱和度不断提高 在长期时效后会有新相析出 以金属间化合物强化的合金 随合金强度的提高 相强化的变化包括 强化相数量由约10 增加到60 70 相形态由球形逐步变为立方形 尺寸逐步变粗 相组成中也会含有更多的难熔元素 随着合金化程度的进一步提高 组织中会出现 共晶相 四 钴基高温合金钴是我国的稀缺元素 因此 限制发展和使用钴基合金 但由于钴基合金具有热腐蚀抗力 热疲劳抗力和高的机械疲劳强度 在国外还是得到了广泛应用 它主要用于温度高 热冲击大 应力低 燃气腐蚀严重的场合 如航空发动机导向叶片 特别是工业燃气轮机和舰船燃气轮机的一级获二级导向叶片 钴基合金中包含有复杂的元素 如镍 铬 钽 铌 钨 钼 碳 锆 镧等 钴基合金的主要强化手段是碳化物 其次是固溶强化 因此 钴基合金中含碳量较高 镍是稳定 基体的元素 铌 钨 钼 碳 锆是固溶强化元素 也是碳化物形成元素 Cr固溶于基体 提供良好抗热腐蚀和抗氧化能力 同时形成强化相 钴基合金的组织是 基体加上各类碳化物 碳化物是强化相 钴基合金硬度较高 难于进行切削加工和压力加工 航空上多以铸造成型来生产此类合金的涡轮叶片或导向叶片 大部分为铸态使用 不进行热处理 第六节 铸铁铸铁是碳量大于2 11 并含有一定量Si Mn及少量S P等杂质的铁碳合金 铸铁是重要的机械制造材料之一 一般在农业机械中铸铁约占40 以上的比例 在汽车 拖拉机等中可占50 左右的比例 而在机床中占到50 以上 一 铸铁的性能和钢相比 铸铁具有下列性能特点 1 优良的铸造性能铸铁含碳量高 2 5 4 0 成分接近共晶点 熔点比钢低得多 所以流动性好 收缩量小 可简化铸造工艺和减少铸件的内应力 易于铸造形状复杂 薄壁的铸件 2 良好的切削加工性由于铸铁中的碳大部分是石墨形态存在的 石墨易使切削脆断 同时石墨本身的润滑作用也减轻了刀具的磨损 从而提高了切削加工性 3 优良的耐磨性和消震性铸铁中有石墨存在 利于润滑和储油 同时可以通过调整化学成分和冷却速度来提高其耐磨性 铸铁的消震能力特别强 所谓消震性是指金属将震动转变为热能的一种能力 铸铁组织中石墨片愈多 愈粗大 消震性越好 4 机械性能低铸铁的抗拉强度 尤其是塑性较低 铸铁中石墨的强度和塑性与钢相比几乎为零 因此可将铸铁看作是布满空洞的钢 当铸铁与钢的基体组织相同时 则石墨的尺寸越大 形状越接近片状 且数量越多时 则基体遭受割裂的程度越严重 其抗拉强度和塑性则越低 如灰口铸铁 5 灰口铸铁在600 以上反复加热时 会出现所谓的 长大 现象 即体积不断增大的现象 这是由于灰口铸铁在600 以上反复加热时 组织中的渗碳体发生石墨化易伴生体积增大 石墨的比容比渗碳体大3 5倍 同时 在反复加热和冷却过程中石墨片会产生裂缝 气体沿裂缝进入内部 使Si等氧化 形成SiO2等氧化物而使体积增大 铸铁一旦发生长大 其机械性能急剧下降 并产生龟裂和翘曲 二 铸铁的组织铸铁组织基本上是由钢的基体和石墨所组成 铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程 石墨化程度不同 将具备不同的性能 影响铸铁石墨化的因素很多 其中以化学成分和冷却速度的影响最显著 1 化学成分对石墨化的影响铸铁中凡是含有削弱原子结合力或者是增加铁原子自扩散能力的元素 都可促进石墨化 反之 则阻碍石墨化 因此 铸铁中常见合金元素 按其对石墨化的影响程度 分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素两类 在常见的合金元素 Al C Si Ti Ni Cu P Co Zr Nb W Mn Mo S Cr V Fe Mg Ce B中 Nb对铸铁的石墨化呈中性 Nb的右边为阻碍石墨化元素 Nb的左边为促进石墨化元素 铸铁中最常见的五大元素C Si Mn P S 其中以C Si含量最多 对石墨化影响最大 因Si与Fe原子的结合力很强 并溶于铁 削弱了铁碳原子间的结合力 同时Si在渗碳体中具有分解渗碳体的能力 使之形成游离的碳 从而促进了石墨化 碳是形成石墨化的主要元素 铸铁中含碳量愈高 铁水中的碳增加 越容易形成石墨晶核 促进了石墨化 所以铸铁中C Si含量越多 越易于获得具有较多石墨的灰口铸铁 反之 则易于获得白口铸铁 2 冷却速度对石墨化的影响当铸件的化学成分一定时 铸件从共晶温度下降到低于共析温度期间的冷却速度 是决定铸铁组织和石墨化的因素 当快速冷却时 石墨来不及析出 会得到白口铸铁 反之 会得到粗大石墨的灰口铸铁 三 常用的铸铁工业常用的铸铁可分为 灰口铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁和合金铸铁等 1 灰口铸铁灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢基体组成 按其基体的不同 可分为铁素体灰口铸铁 铁素体 珠光体灰口铸铁 以及珠光体灰口铸铁 如图3 14所示 其中 以珠光体灰口铸铁的性能最好 石墨片的粗细也直接影响铸铁的性能 具有粗大片状石墨的灰口铸铁 其机械性能显著下降 若在铸铁的石墨化过程中 加入少量促进石墨化元素 如在浇注前的铁水中加入少量硅铁 硅钙等孕育剂 进行孕育处理 则可获得细片状石墨的的灰口铸铁 叫做孕育铸铁 其机械性能得到显著改善 我国灰铸铁的牌号表示方法 HT 表示灰铁 后面的