高温金属结构材料

第三章高温金属结构材料 1 3 1引言 航空材料特点 可靠性比强度和比刚度高耐高温抗疲劳耐腐蚀长寿命低成本 2 3 2航空航天高温结构部件的工作特点及对材料的要求 3 2 1高温结构部件的使用特点 3 4 美国国防部要求新一代航空发动机除保证超音速巡航和超低空突防等能力外 还要求发动机 F119就是在这种背景条件下研制成功的第一台全新设计的西方第四代航空涡扇发动机 5 燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能 高的抗氧化能力 即高的热稳定性 足够的热强性 即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力 满意的塑性和韧性 更高的热疲劳性 即对能引起热应力的热交换的敏感性要低 足够高的低循环疲劳强度良好的耐蚀能力 保持叶片的空气动力性能 高的导热性和低的热膨胀系数良好的工艺性能 即良好的焊接性能 锻造性能及铸造性能等 6 7 8 三高 高推重比 高压比 高涡轮前温度 9 60年代末 发动机部件的强度设计经历了由强度估算到损伤容限设计的发展阶段 10 11 3 2先进高温结构材料的设计原则 12 13 14 发动机高温部件 压气机 机匣 涡轮 喷嘴 燃烧室 15 高温及应力作用下 材料的组织结构不断发生变化 如高温合金中发生的显微结构的不稳定性 包括 金属间相的析出相的分解相的聚集和粗化相的溶入和再析出有序 无序转变材料氧化应力 腐蚀裂纹 16 17 18 发动机材料服役环境 高温高载荷高氧化腐蚀高性能重量比高可靠性高寿命 选择材料的出发点 19 20 21 22 3 3高温钛合金 3 3 1高温钛合金的应用概况近 钛合金 钛合金近 钛合金 23 24 25 26 27 28 29 30 3 3 2高温钛合金合金化历程 英美1954年美国Ti 6Al 4V350 450 60年代Ti 6246Ti 6242450 500 70年代Ti 6242S英国IMI679和IMI685500 70 80年代期间IMI829 IMI834和Ti 1100近600 俄罗斯早期BT3 1400 500 1958年BT8 BT9450 500 后来BT18T BT19Y BT36600 31 3 3 3新型高温钛合金的发展思路 提高钛合金耐热性的两个障碍 一 蠕变二 热稳定性 32 什么是金属的蠕变 金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下 发生缓慢的塑性变形的现象 称为蠕变 产生蠕变所需的应力 甚至可以小于材料的弹性极限 由于金属蠕变的累积 使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用 或者蠕变进入到了加速发展阶段 发生蠕变破裂 均会使部件失效损坏 甚至发生严重事故 33 热稳定性问题 所谓热稳定性问题是指合金在高温下长期热暴露后因内部析出脆化相和表面被氧化而变脆 34 影响热稳定性因素 首先 追求强度而采取的高合金化 促使生成非平衡亚稳组织 合金长时间工作后脆性相析出 导致不稳定 高温下氧的渗入 在合金表面形成一个富氧层 导致了合金表面的不稳定 35 Si 提高高温抗蠕变性稀土 强化基体 细化晶粒 提高抗疲劳性 改善热稳定性 Gd2 强度 塑性和蠕变性能的最佳配合Y 改善热稳定性和抗蠕变性能 36 新的合金元素应具备这样的条件 在中应该具有较大的溶解度 并有较好的强化作用 但形成相的倾向要比Al Sn小得多 尽可能避免带来组织不稳定 目前 探索到的新合金有Ga Zn Pb Sb Bi等 37 抗氧化性涂层 渗铝涂层Pt Au涂层 38 3 3 4阻燃钛合金 钛合金的自燃特性美国ALLOYC Ti 35V 15Cr 俄罗斯BTT 1和BTT 3 我国 Ti 40 Ti4 39 40 阻燃合金元素 Cr铬 钒 钼绝热燃烧温度低于纯钛 可抑制燃烧蔓延 41 3 3 5铸造热强钛合金 铸造 钛合金Ti 6Al 4VTi 6Al 2Sn 4Zr 6Mo400 Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo500 42 三种型壳系统 纯石墨型壳系统 导热率高 易产生流痕和浇不足缺陷 钨面层型壳系统 原材料昂贵 来源困难 生产周期长 氧化物陶瓷型壳系统 原材料来源丰富 能够浇注形状复杂 薄壁铸件 43 铸造 钛合金 Ti153合金 时效效果好 拉伸强度高 有与Ti 6Al 4V相同的断裂韧性和更好的疲劳性能 44 3 4镍基高温合金 3 4 1高温合金高温合金的基本要求 1 具有较高的热稳定性 即在高温下具有抗腐蚀能力2 具有高的热强度 即在高温下具有高的抵抗塑性变形和断裂的能力 3 具有良好的工艺性能 即在冶炼 铸造 热压 焊接和切削加工等方面 要有满意的工艺性 45 热强度及其指标 1 蠕变强度2 持久强度3 高温短时强度和高温疲劳强度 46 提高热强性的途径 从热稳定性方面来说 主要是加铬提高抗蚀性 从热强度方面来说 1 用熔点较高的金属作为高温合金的基体 2 对基体金属进行合金化 强化基体 提高再结晶温度 加入合金元素强化晶界 3 利用铸造组织 4 热处理 47 3 4 2镍基高温合金和合金化原则 48 相的强化作用 49 50 改善晶界偏析的两种途径 第一 50年代后期 将大气熔炼改成真空熔炼 减低损害合金性能的化学偏析 脆性金属间化合物或低熔点共晶的数量 其次 发展定向凝固技术以形成柱晶的高温合金而消除弱的横向晶界 随后发展了单晶技术 51 52 3 4 2铸造高温合金 产生背景 20世纪60年代 变形高温合金中铝 钛 铬 钼 钨的含量不断提高 塑性变形阻力增大 难以进行锻造 轧制等热加工 或者在加工过程中出现热裂纹和崩裂 铸造高温合金可以熔人更多的固溶强化元素和第二相强化元素 使工作温度达到1000 左右 超过变形高温合金50 100 铸造高温合金通过精密铸造工艺较容易制成空心或多孔型叶片 通过对流和气膜冷却 进一步提高了材料的工作温度 53 等轴晶定向柱晶单晶 54 1 普通铸造 形成等轴晶 晶界多 结合强度差采用细晶铸造改善晶界性能 机械振动法化学法 55 2 定向铸造和单晶铸造 定向铸造 形成并列的柱晶 消除横向晶界 针对涡轮叶片 定向铸造特点 控制铸型的散热方向和冷却梯度 使熔融金属由叶片的一端向另一端逐渐凝固 使工作温度提高约50 疲劳寿命提高10倍以上 56 单晶铸造 消除晶界控制熔融金属在铸型内的散热条件 只允许一个优选的柱晶长大 57 定向及单晶技术的简单发展历程 20世纪60年代 美国惠普公司研制出高温合金定向凝固工艺 标志着叶片合金的发展进入一个新阶段 70年代 美国已将定向凝固涡轮叶片 导向叶片投入航线使用 80年代以来 单晶叶片的发展更为迅速 58 定向凝固和单晶涡轮零件的优越性 优越的高温蠕变强度 抗热疲劳性能 较长的蠕变寿命 优异的中温塑性 好的薄壁性能 59 单晶高温合金特征 与定向相比 一是无晶界 因而不需要加入晶界强化元素 二是Mo Ti W Cr Co等难熔元素含量增加 因而高温性能提高 60 国外单晶合金的发展 起步 1975年 Jackson研究M M200合金 确定 合金化的基本思路是提高合金初熔温度和增加合金中 相的体积百分数 第一代 PWA1480 去除了晶界强化元素 增加了大量的高熔点元素Ta等 因而提高了合金的初熔温度和蠕变强度 之后 美国Canon等公司及英国罗 罗公司 CMSX 2 Rene N4 SR99 1040 61 第二代 PWA1484 加入了3 左右的铼 进行 基体固溶强化 阻止 粗化 1070 还有PWA1487 CMSX 4 Rene N5 第三代 Rene N6和CMSX 10为代表 1100 成分特点 一是铼含量提高到6 抑制了强化相的粗化 起到强化 相的作用 二是难熔合金元素总量高达20 以上 进一步提高高温蠕变强度 62 国内单晶高温合金的发展 DZ4 我国第一个用于现役发动机投入航线使用的定向单晶高温合金 DD3 我国第一个用于航空发动机的单晶合金 IC 6 我国第一个进入工程化应用阶段的金属间化合物基定向凝固高温合金DZ38G和DD8也是我国研制的定向合金和单晶合金 抗腐蚀性好 63 定向共晶自生技术 定向共晶高温合金 定向凝固条件下 合金与纤维或层片状强化相从合金熔体中同时生长并在凝固后保持规则排列的合金 又称 原生复合材料 基体相 镍基或钴基合金强化相 TaC NbC Cr3C2等碳化物纤维 Mo纤维及Ni3Nb层片 使用温度 高出高温合金10 110 64 合金超纯化 采用先进熔炼工艺 高温合金主要采用真空感应 电渣 电弧重熔的3次熔炼工艺 钛合金主要采用电子束和等离子束冷膛熔炼 然后采用真空电弧重熔 65 3 4 3粉末冶金高温合金 粉末冶金法的优点 可获得近终形零部件容许提高合金元素的含量 导致较高的强度可使合金具有均匀的显微组织和化学成分 避免宏观偏析及锭 坯开裂的危险 需要注意的问题 粉末的洁净度控制粒度分布范围采用新的成型技术 66 67 PM HIP工艺 优点 可获得近终形制品 高强度和长蠕变寿命 确定 低周疲劳性差 取代工艺 粉末加热挤压和等温锻 产品 Rene 88DT U 720 68 美国的粉冶高温合金 Pratt Whitney公司 1972年 IN100合金1976年 Astroloy合金80年代初 MERL76合金涡轮盘GE公司 1972年 Rene 95合金盘件1978年 F404发动机的压气机盘 涡轮盘和涡轮轴 1983 1988年 Rene 88DT合金 69 俄罗斯的粉冶合金 741 962 975 70 双性能粉末盘 轮缘部分为粗晶 有利于提高抗蠕变性能轮心为细晶 有利于提高强度及疲劳性能 71 制粉工艺 氩气雾化法和旋转电极法 72 我国的粉冶合金及其工艺研究 FGH100 In 100 FGH95 Rene 95 1984年 模锻出 420mm的全尺寸涡轮盘 成型方法 热等静压 热等静压 等温锻造 热挤压 等温锻造三种成型工艺 73 三种工艺组织上的差别 热等静压 存在大量的枝晶组织和原始颗粒边界 没有明显的塑性变形 经过锻造 大多数枝晶组织和原始颗粒边界已破碎 少量保留下来 挤压材料 由于粉末颗粒受到了强烈的剪切变形 是完全再结晶的细晶组织 已观察不到枝晶组织和原始颗粒边界 反映在断口组织上 热等静压材料是沿原始颗粒边界断裂的 为脆性断裂 而经过锻造或热挤压的材料是穿晶断裂 呈韧窝状 为韧性断裂 74 3 4 3弥散强化高温合金 弥散强化 将超细粉 稳定的第二相质点十分均匀地引入合金中使其强化 弥散强化高温合金 在高温合金中引人超细氧化物质点 使其在更高的温度下仍维持较高的强度 使用温度可提高150 的超强高温材料 弥散强化工艺 机械合金化 MA 将两种以上的金属粉末或金属粉末与中间合金粉置入高能球磨机中球磨一段时间后制成合金粉末的方法 75 典型合金 美国MA956 754和6000E我国ODS高温合金的研究 目前已找到制造ODS高温合金的完整工艺 MA制粉 装套除气 热挤压固实化 变形加工 再结晶处理 1985年完成MGH956的研制 76 3 4 5镍基高温合金在航天工业中的应用 制造发动机涡轮盘 GH1040 GH2038A GH4169合金制造发动机轴 GH2038A GH4169合金制造燃烧室隔板 涡轮进气导管 GH1131合金制造喷管 GH600合金 77 3 5金属间化合物 金属与金属结亲 有序晶体结构不同金属元素通过混合键结合 78 3 5 1Ti Al系金属间化合物 主要特点 高温性能好 抗氧化能力强 耐腐蚀 重量轻 典型代表 2 Ti3Al TiAl 79 3 5 1 1Ti3Al系 在美开始批量生产的钛高温钛合金成分 Ti 21Nb 14Al和Ti 21Nb 14Al 3 5V 2Mo目前发展的 2合金 80 热机械处理 TMP ThermomechannicalPrecessing 可把塑性变形与组织控制结合起来 达到改善合金性能的目的 主要特征是在变形中使材料处于高能量的加工态 产生稳定的点阵扭曲或较高缺陷密度 并在随后的热处理过程中加以利用 使材料的强度和塑性结合较好 成为获得强韧材料的有力工艺手段 如 铸锭 热锻 固溶 冷变形 时效 81 室温塑性和高温性能的平衡 1 通过改变化学成分及热处理调整 相的数量Nb 大部分性能提高 蠕变性能除外 Mo Ta Cr V 提高强度Mo 提高蠕变抗力Ta Mo Cr 提高抗氧化性高Al 适度的 稳定元素加量和低V 良好高温强度 蠕变抗力和环境抗力 82 2 改变 2相DO19点阵的基体变形机理细化晶粒 1 添加Nb等 稳定元素 降低马氏体转变的开始温度 抑制片状 的长大 2 在 2 相区热变形和热处理 再结晶成细小等轴晶 产生塑性第二相 添加Nb Mo V等稳定 元素 使单相 2改变为 2 通过添加Nb实现激活非基面的滑移 减少成分偏析 采用真空自耗电弧炉与真空铸造凝壳炉相结合的铸造工艺 83 3 5 1 2TiAl系 相结构 L10型 室温塑性低 高温塑性和强度好 合金分类 单相 和双相 2 合金 84 合金元素作用 85 室温纤维结构 全层片 FL 近全层片 NL 近等轴晶 NG 等轴晶 层片结构 DP 86 性能与纤维组织和温度的关系 塑性和强度 NG和DP比FL和NL高断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力 FL和NL好于NG和DP高周疲劳 600 以下 FL低于DP800 及以上 DP低于FL 87 化学成分对显微组织和力学性能的影响 第一代 Ti 48Al 1V 0 1C变形合金 性能较低第二代 Ti 48Al 2Nb 2Cr及其系列 全片层的粗大组织 使用温度可达750 抗拉性能较差 第三代 铸态Ti Al Nb Zr Ta Hf Cr B 优化层片组织 88 TiAl合金的制备 铸造铸锭冶金粉末冶金其他新方法 89 TiAl金属间化合物全层片组织结构应为 层片的平均粒晶尺寸为50 350um 2 层片的平均体积分数为5 25 中的 2相分布应该均匀 层片状的层片厚度应小于1um 应控制最小值以保证该结构在高温长期工作时的稳定性 晶界应呈不规范形状且处于稳定的低能状态 层片状晶粒内不含细小的 等轴晶粒 90 3 5 2Ni Al金属间化合物 3 5 2 1Ni3Al系70年代 两方面突破 一个是1979年 日本Izomi首先发现添加微量硼显著提高Ni3Al的高温塑性 另一个是发现单晶Ni3Al的本征高塑性 91 铸造Ni3Al基合金 我国新研制的定向凝固Ni3Al基合金 密度小 强度高 塑性好 有优异的高温蠕变性能 可做发动机涡轮导向叶片材料 使用温度950 1100 92 高温性能 高温超塑成型性高温抗氧化性耐高温腐蚀性耐疲劳高温耐磨加工硬化率高 93 合金固溶强化 可置换Al亚点阵位置而固溶 Si Ge Ti V Hf等可置换Ni亚点阵位置而固溶 Cu Co和Pt可同时置换Al和Ni而固溶 Fe Mn和Cr我国在Ni3Al合金化方面的研究 硼的韧化机理 Zr的韧化作用 TiC弥散强化 94 3 5 2 2NiAl系 与镍基高温合金相比 有更高的熔点 较低的密度 极高的结构稳定性 良好的热传导性 出色的抗氧化性 室温塑性低 超过500 强度低 通过合金化 细化晶粒和改善纤维组织来改善 热膨胀系数接近单晶高温合金 导热系数远高于单晶高温合金 断裂韧性低强化 固溶强化 沉淀强化 弥散强化 消除晶界 发展方向 铸造 尤其是单晶或定向凝固合金主要障碍 合金化途径和凝固工艺所需的高温壳型问题 95 3 5 3钼硅系金属间化合物 MoSi2高温强度和抗氧化能力好 熔点比镍基单晶高约40 密度约低30 热胀系数小约23 机械疲劳性能小于或相当于镍基高温合金 导热性优于高温合金 低温脆性 高温有一定塑性 96 3 6难熔金属及其合金 3 6 1钼及其合金1 性能特点 良好的导热 导电性和低的膨胀系