航空航天材料 - 高温合金部分05-制备方法.pptx

高温合金的制备技术,北京航空航天大学材料学院Schoolofmaterialsscienceandengineering,BUAA李树索82314488E-maillishs,一、高温合金的熔炼二、高温合金的精密铸造熔模精密铸造定向凝固单晶细晶铸造三、高温合金的热变形加工四、高温合金的粉末冶金五、高温合金制备发展方向,高温合金制备技术,一、高温合金的熔炼,二、高温合金的精密铸造,三、高温合金的热变形加工,四、高温合金的粉末冶金,五、高温合金制备发展方向,一、高温合金的熔炼,高温合金的合金化,Ni(Co,Fe),连续固溶体形成元素有限固溶体及化合物形成元素非相互作用元素离子化合物形成元素,铼：密度21.04克/厘米3，熔点3180，沸点5627。,高温合金主要的熔炼设备,电弧炉感应炉真空电弧炉真空感应炉电渣炉电子束炉等离子电弧炉,电弧炉熔炼熔炼,冶炼高温合金的一些特点:,基本不采用氧化法，Al、Ti多以中间合金形式加入原材料要求精，低熔点杂质及气体含量要求低采用扩散脱氧与沉淀脱氧结合的综合脱氧方法,真空感应炉,没有空气和炉渣的污染，冶炼的合金纯净气体含量低可精确控制化学成分低熔点杂质容易去除碳具有很强的脱氧能力感应搅拌使成分均匀,真空感应炉熔炼工艺,装料熔化熔化期的主要任务是使炉料熔化，去气，去低熔点杂质，使合金有适当的温度，为精炼期做准备精炼精炼期的任务是继续完成脱氧、去气、去除杂质，进一步纯净合金，调整合金成分，并使之均匀化合金化Al、Ti加入时温度低一些为宜B、Ce、Zr、Y等在出钢前加入Mn、Mg，蒸气压高，出钢前在一定压力的氩气气氛保护下加入浇注,二、高温合金的精密铸造,高温合金精密铸造,精密铸造：用精密的造型方法获得精确铸件的工艺,精密铸造分类：熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、消失模铸造常用熔模铸造基本流程：,高温合金精密铸造,蜡件与铸件,蜡件,铸件,高温合金精密铸造,精密铸造特点：铸件尺寸精度高，表面粗糙度细，可不加工或很少加工就直接使用，适用于形状复杂，小孔及薄壁型工件铸造，铸件大小及铸造合金不受限制。铸造精度：最大件轮廓近2m，最小壁厚却不到1mm表面铸造角度值可达到a.m,高温合金精密铸造,等轴晶定向单晶,高温合金精密铸造工艺,等轴晶,定向合金组织,单晶,单晶叶片,陶瓷型芯,枝晶,陶瓷型芯,形成零件的内腔由耐火基体材料、专用添加剂和增塑剂组成高温长时作用下的弯曲强度是陶瓷型芯最重要的指Pa耐火基体材料：氧化硅、氧化铝、氧化铝硅耐火度稳定性（化学、热）膨胀系数,模料,蜡基模料松香基模料塑料模料尿素模料按使用温度:低温模料:熔点低于60,如石蜡-硬脂酸模料;中温模料:熔点在60120,如松香-川蜡基模料;高温模料:熔点高于120,如组成为50%松香,30%聚苯乙烯和20%地蜡的模料,壳型,将模组浸涂涂料，撒砂后晾干，如此浸涂、撒砂、晾干重复进行610遍后，即形成壳型脱模：用热水或高压蒸汽培烧：900950，足够强度和高温稳定性涂料是由耐火粉料和黏结剂按一定比例配制而成。耐火粉料：刚玉粉、锆英石、高岭土熟料、莫来石等黏结剂：硅酸乙脂、硅溶胶,浇注,目前，铸造高温合金一般在真空下浇注单壳或填砂造型真空下，无大气压力作用，显微疏松倾向大，应搞好浇注系统和补缩冒口的设计,定向凝固,通过定向凝固得到完整连续的柱晶组织,必须满足以下两个基本条件:固-液界面上的热流应保持单一方向流出,使固-液界面沿一个方向推进;结晶前沿区域必须维持正向温度梯度,以阻止其它新晶核的形成。,合金定向生长示意图,DZG-0.025型定向凝固高温炉,定向凝固两个重要的参数,GL：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度R：固-液界面向前推进速度，即晶体生长速率在热平衡条件下：SGS-LGL=mLR即：GL=SGS/LmLR/LGL大时，有利于抑制成分过冷，从而提高晶体的质量提高GL的途径：提高溶体温度提高固相温度梯度目前，GL已经从1015/cm增加到100300/cm工业上应用的定向凝固装置GL为3080/cm,临界拉出速度:在小于临界拉出速度时，凝固速率R与拉出速度基本一致,固液界面稳定在辐射档板附近。,凝固组织,平面晶胞状晶树枝晶,冷却速率,温度梯度与凝固速率的乘积即冷却速度。一定的合金，冷却速率越大，则凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂间距越小，关系如下：二次枝晶臂间距细小，意味着合金组织均匀致密，偏析程度小，合金的强度和抗疲劳性能好。,定向凝固工艺发热铸型法,特点：下部为水冷铜板，金属液激冷，形成细等轴晶，100晶粒择优长大，开始柱晶生长；铸型周围的发热剂放热补充热流缺点：随板距增大，G和R均迅速下降柱晶由轴向平面转向扇面，树枝晶大小及角度发生变化。,定向凝固工艺功率降低法,特点：合金的熔化、壳型预热、浇注及凝固均在真空下进行；先切断下面一组感应圈电流，形成自上而下的温度梯度；逐步降低上部感应圈的电功率，保证柱状晶的生长。缺点：周期长，效率低易发生熔体的局部对流，形成“雀斑”随着柱晶的生长，凝固区远离底盘，G和R逐渐变小，出现水平方向的散热,定向凝固工艺高速凝固法（HRS法）,隔热挡板壳型抽拉机构隔热挡板挡住了感应体的辐射；未凝固处于热区的高温下；而壳型移出的凝固区处于冷区；凝固热通过传导和辐射传出；固液界面前沿的G比功率降低法提高了2倍，R提高了4倍。,定向凝固工艺液体金属冷却法（LMC法）,特点：冷却剂槽浇注后的壳型从加热器中移出，逐渐浸入低温的金属熔中大的温度梯度和生长速度冷却剂：熔点低，沸点高，蒸气压低Sn：熔点505K沸点2540K,单晶,单晶从液相中生长出来，按成分和晶体特征，可分为三类：1晶体和熔体成分相同纯元素和化合物属于这一种，单元系2晶体和熔体成分不同半导体单晶掺入一定浓度的杂质，二元系或多元系3出现第二相或出现共晶的晶体高温合金：铸态组织不仅有大量的相和沉淀析出的/相，还有共晶析出于枝晶干间整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝晶，一次枝晶干和二次枝晶干互相平行单晶中会出现成分偏析、显微疏松、柱晶间小角度取向差,单晶工艺,正常凝固法坩埚移动法（Bridgman）晶体提拉法（Czochralski）区熔法,坩埚移动法,原理和前述的定向凝固法相同籽晶法在壳型型腔内加入结晶核心（单晶籽晶），与取向沿着铸件纵轴的温度梯度相配合选晶法,选晶法,先在水冷铜板上形成许多任意取向的小晶粒；在择优生长的原则下，100取向的晶粒有更快的生长速度，有26个100或110取向的晶粒进入单晶选择通道；经过单晶选择通道后，只有一个100晶粒出现在型腔底部并生长，从而制得单晶叶片,单晶制备工艺选晶法,晶体提拉法,将籽晶插入熔体中，在适中的温度下，籽晶既不熔掉，也不长大；缓慢向上提拉和转动晶杆。多用于半导体材料,水平区熔法,水平区熔法主要用于材料的物理提纯，也可用来长单晶制备单晶：首先在舟端放置的籽晶和多晶材料间产生熔区；然后以一定的速度移动熔区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变成单晶。多用于制备锗单晶,悬浮区熔法,垂直区熔法一般说来要求材料有比较大的表面张力和较小的密度应用于易于坩埚发生反应的材料，如硅,等轴晶、柱状晶、单晶性能比较,C-等轴晶D-柱状晶M-单晶,1普通铸造2单向凝固,等轴晶、柱晶和单晶Mar-M200持久寿命，h,细晶铸造,细晶组织有良好的抗疲劳性能获得细晶组织的方法：快速冷凝法使铸型内的金属熔体过冷并均匀生核。G/R越小，凝固后的等轴晶晶粒越细。振动法凝固时引入振动，枝晶断裂成为新的核心而细化。低频、声频、超声。搅拌法机械或电磁搅拌，使枝晶被流动的金属液破碎，增加结晶核心，晶粒细化。表面孕育法将孕育剂加入到壳型面层浆料，使制成的壳型表面含有孕育剂，高温合金溶液与之接触并发生作用。孕育剂：钴的氧化物，COO、CO3O4高温合金中的Cr、Al、Ti等活性元素可使壳型面层中的氧化钴部分还原成金属钴粒子，与镍基合金具有相同的晶体结构和相近的点阵常数，作为外来核心，使铸件表层得到细化,三、高温合金的热变形加工,锻造,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,英文名称：forging，指在锻压设备及工(模)具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。,锻造优点,通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。,机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件,应用,锻造优势,金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能,铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能,锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件,轧制,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,英文名称：rolling定义：金属(或非金属)材料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方法。,热轧,可以破坏铸造组织，细化晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使材料在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。,用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件,冷轧,高温合金热加工工艺,确定热加工工艺的基本原则:根据不同高温合金的组织性能特点，采取特殊冶炼、热处理工艺获得要求的组织结构，使合金提高工艺塑性和降低变形抗力；控制热加工参数使合金加工后获得要求的组织结构，从而使合金获得优异的使用性能。,变形高温合金的合金化特征,合金的液、固相线温度变化添加多种合金化元素强化使合金的液、固相线温度明显降低Nimonic75Nimonic118，液相线温度降低65，固相线温度或初熔温度降低80主要原因是低熔点合金元素Al、Ti以及残存低熔点有害杂质合金的热扩散与再结晶温度添加多种合金化元素强化使合金的再结晶温度提高，热扩散系数降低添加5%Mo和910%W可显著减缓Ti和Cr在7001000的扩散过程和提高其扩散激活能，V则其相反的作用镍基合金中添加4%Mo或8%W时，可使再结晶温度提高100，加入8%Mo与8%W时，可使再结晶温度提高150,变形高温合金的合金化特征,合金的主要组织Al+Ti含量增加，/数量增加且固溶温度提高，合金强度提高，塑性降低C、W、Mo、Nb等碳化物形成元素增加，碳化物数量增加，质点变大，合金塑性降低，且易形成偏析合金的铸态偏析合金化程度提高，铸态组织变得不均匀，偏析愈加严重，伴之而来的是有害相析出，严重影响合金的开坯和锻压加工。,减缓铸态偏析的方法有：控制合金的冷却速度采用高温扩散处理采用粉末冶金工艺生产难变形高温合金,热加工工艺参数,加热与变形温度使合金有较好的加工塑性,而且保证锻件获得满意组织,以保证性能加热温度不仅应低于合金的初熔温度和共晶温度,还应低于过热温度变形的下限温度一般接近再结晶温度,避免温度过低造成冷加工现象变形温度应在最大塑性区内,还应避免温度过高造成晶粒粗大及析出薄膜晶界变形程度一般要参考合金的固溶再结晶图,控制变形程度,使之不出现大晶粒,避开临界变形变形速度随着合金化程度的提高,合金的塑性降低,一般热加工变形速度应当适当降低,超塑性锻造,超塑性是指金属材料在一定条件下呈现的无缩颈大延伸的特点条件是:具有超细晶粒组织超塑性变形具有下列特征：变形抗力急剧减小塑性指标明显增大拉伸实验时试样不产生缩颈流动应力对变形速率非常敏感变形后晶粒不沿应力方向拉长，主要靠晶界移动和晶界扭转来实现超细晶粒获得：粉末冶金在再结晶温度下一定温度变形，变形产生的热量发生再结晶，使晶粒细小超塑性变形一般要求较低的变形速率超塑性变形后的材料晶粒细小，室温强度高，但高温强度低，必须通过热处理，使其晶粒长大,热机械处理（TMT）,目的：使高温合金获得高的屈服强度与疲劳强度原理：将合金在再结晶温度以下，在发生均匀分散滑移的温度范围内进行变形，通过均匀分散滑移变形，使合金获得多边形网状位错亚结构起主要强化作用，其次形成变形织构起辅助强化作用，这种起强化作用的位错亚结构组织通过相补充析出使之稳定。Rene95合金的热机械处理工艺：在1121热加工变形，接着在略超过1163进行再结晶处理，得到ASTM5级晶粒；在10801093变形，总变形量4050%；在1093部分固溶处理（快冷）和871/16h空冷时效,四、高温合金的粉末冶金,粉末冶金,高温合金中强化元素含量增加，成分复杂，热加工性能很差，因此用粉末冶金工艺制备高性能的高温合金。粉末高温合金特点:粉末颗粒细小，消除了合金元素偏析,改善了合金的热加工性合金组织均匀，性能稳定，使材料的使用可靠性提高具有细小的晶粒组织，显著提高了中、低温强度和疲劳性能可进行超塑性加工，提高了材料的利用率用途：高性能航空发动机的压气机盘、涡轮盘、涡轮轴、涡轮挡板等高温部件第一个研制成功并得到应用的是IN100粉末高温合金，PrattWhtney公司1972年将它用于制作F100发动机压气机盘和涡轮盘等部件，该发动机装在F15和F16战斗机上，现已大批生产,高温合金粉末冶金,粉末高温合金制备流程：,粉末的制备,气体雾化法母合金在真空室中重熔，熔液经漏嘴流下，在高压惰性气体流中雾化成粉末。粉末颗粒冷速：102/S粉末主要是球状，也有一些空心、串状或片状颗粒，粒度分布范围较宽,气体雾化法,旋转电极法用合金料作为自耗旋转电极，被钨电极产生的电弧连续熔化，端部熔化的金属液滴在离心力作用下飞出，形成细小球状颗粒。粉末颗粒冷速高达：105/S特点：夹杂少，气体含量低，颗粒绝大部分为球状，粒度分布较窄,旋转电极法,粉末的制备,真空雾化法熔融金属液中通入高压氢，后导入上方真空室，溶解的氢逸出，将液体金属雾化为粉末粉末颗粒冷速：103/S粉末粒度较大，小颗粒为球状。,真空雾化法,粉末的制备,粉末的固实,真空热压（HP）将粉末装在模具内，在高温下加压，颗粒通过变形、扩散紧密粘接在一起缺点：受模具材料在高温下强度的限制单向加压，不同方向存在一定的不均匀性。适用于较小尺寸的坯件热等静压（HIP）通过高温高压的作用,使粉末坯体达到完全致密化通常用氩气作为压力的传递介质,粉末坯体的各个方向受到等静压力的作用烧结一般工艺步骤:将粉末装入碳钢或不锈钢包套中，在500600抽真空去除包套和粉末颗粒表面的气体，包套密封后通入高压气体进行进行热等静压处理根据不同要求,热等静压温度可选择高于或低于相的固溶温度热等静压后的坯料可继续进行热挤压或锻造,热挤压:综合了热压缩和热加工变形的特点,可获得完全致密的变形材料产生一个剪切效应,破碎了原始颗粒边界可挤压包套粉末,也可挤压预成型坯料锻造:可获得尺寸较大的、具有一定形状的部件一般将热挤压或热等静压后材料通过锻造制成最终的部件,热挤压和锻造,粉末的固实,氧化物弥散强化（ODS）高温合金,将细小的氧化物颗粒（一般选用Y2O3）均匀地分散于高温合金基体中，通过阻碍位错的运动而产生强化效果Y2O3高熔点，高稳定性，ODS高温合金的使用温度可达到或超过0.9Tm粉末制备方法：内氧化法、化学共沉淀法、机械合金化（MA）法粉末