航空航天材料－高温合金部分01-概论.pptx

高温合金概论,宫声凯：gongsk李树索，郭洪波,参考书：TheSuperalloys，FundamentalsandApplications,高温合金概论课程安排,第一讲概论,美国综合高性能涡轮发动机技术计划,高温结构材料是航空航天推进系统中必不可少的一类重要材料,Fig.1Rolls-RoycesTrent800engine,发动机叶片材料使用温度推重比10：10701100推重比12-15：11201200推重比15-20：12501400,Differentmaterialsstrengthwithdifferenttemperatures,航空发动机构造,2ndVanes,1stVanes(Top)2ndBlades(Bottom),没有先进材料及制造技术就没有先进航空发动机；未来航空发动机推重比的提高，材料及制造技术的贡献将占到50%70%。,推重比10发动机主要热机构件的使用条件与特点,一、高温合金的定义,高温合金：以铁、镍、钴为基，能在600以上温度、一定应力条件下、适应不同环境短时或长时使用的金属材料。要素：高温、应力条件、表面稳定性：不可缺一高温合金中通常包含10余种元素，合金化程度很高，英美称之为超合金（Superalloy）。,1.Anabilitytowithstandloadingatanoperatingtemperatureclosetoitsmeltingpoint.IftheoperatingtemperatureisenotedToperandthemeltingpointTm,acriterionbaseduponthehomologoustemperaturedefinedasToper/Tmissensible;thisshouldbegreaterthanabout0.6.,2.Asubstantialresistancetomechanicaldegradationoverextendedperiodsoftime.Forhigh-temperatureapplications,atime-dependent,inelasticandirrecoverabledeformationknownascreepmustbeconsideredduetothepromotionofthermallyactivatedprocessesathigh.Thus,astimeincreases,creepstrain,isaccumulated;formostapplications,materialswithlowratesofcreepaccumulation,aredesirable.Incommonwithotherstructuralmaterials,thestaticpropertiesofyieldstress,ultimatetensilestrengthandfracturetoughnessarealsoimportantandthesemustbemaintainedovertime.,3.Toleranceofsevereoperatingenvironments.Forexample,thehotgasesgeneratedinacoal-firedelectricity-generatingturbinearehighlycorrosiveduetothehighsulphurlevelsinthecharge.Keroseneusedforaeroenginefueltendstobecleaner,butcorrosionduetoimpuritiessuchaspotassiumsaltsandtheingestionofsea-watercanoccurduringoperation.Inthesecases,thehighoperatingtemperaturesenhancethepossibilityofoxidation.Undersuchconditions,anysurfacedegradationreducescomponentlife.,二、高温合金的发展,高温合金这类材料，由于在高温下能保持很好的性能，应用范围广泛。主要应用领域航空、航天、核工业、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等航空上的应用航空发动机热端零部件（涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等）高温合金用量50%（高性能发动机上60%）,二、高温合金的分类,铁基或铁镍基高温合金以高合金化的Fe基奥氏体或Fe-Ni基奥氏体为基的合金，通常含2560%Ni，最高使用温度800。镍基高温合金:以高合金化的镍基奥氏体为基体的合金(Ni-Al-Cr-Co-W-Mo-Nb-Ta-C-B-Zr-Ce-Y-Hf-Re-Ru)，最高使用温度1150。钴基高温合金；以高合金化的钴基奥氏体为基体的合金（Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C)最高使用温度1100。IMC基合金：Ni3Al、NiAl、高Nb-TiAl铬基合金（特殊情况下使用）,高温合金的发展是与涡轮发动机的发展密不可分的。英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家：,高温合金的发展,1939年，继德国之后，独立研制成功Whittle发动机。,1939年，英国Mond镍公司Nimomic75：Ni-20Cr-0.4Ti-0.01C,1939年：Nimomic75(Ni-20Cr-0.4Ti-0.01C)760:b=290MPa1942年：Nimomic80(Ni-20Cr-1.3Al-2.5Ti-0.06C）760:b=758MPa1950s：Nimomic115(Ni-15Cr-15Co-3.5Mo-5.0Al-4.0Ti-0.15C)760:b=1083MPaRene95(Ni-14Cr-8.0Co-3.0Mo-3.5W-3.5Ta-3.5Al-2.5Ti-0.15C-0.01B-0.05Zr)760:b=1171MPa,高温合金的发展：与涡轮发动机的发展密不可分,1.变形合金向铸造合金发展变形合金发展中碰到的问题：高温强度高，热加工困难发展铸造高温合金（合金化程度大幅度提高）Al+Ti总量不断提高：-Ni3(Al,Ti)为5065%2.真空感应熔炼提高合金纯洁度高Al、Ti含量合金的熔炼,工艺的进步推动了合金发展,二、高温合金的发展,3.粉末冶金消除偏析提高初熔温度50细小晶粒提高中温强度和塑性4.定向结晶高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内消除主应力方向上的晶界提高了高温蠕变强度、塑性、热疲劳抗力降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点,工艺的进步推动了合金发展,二、高温合金的发展,高温合金的发展,高温合金的发展,二、高温合金中的主要相,Ni基固溶体(FCC)Ni3Al(FCC)实际合金中为(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3硼化物:M3B2”-Ni3Nb(BCT)在高Nb合金如718中存在相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相,对中、高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效)-A7B6相(三角晶系):高W,Mo合金中出现不常见的相:Laves相,R相,相,二、高温合金中的主要相,二、高温合金中的主要相,Ni基固溶体(FCC)Ni3Al(FCC)实际合金中为(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3硼化物:M3B2”-Ni3Nb(BCT)在高Nb合金如718中存在相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相,对中、高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效)-A7B6相(三角晶系):高W,Mo合金中出现不常见的相:Laves相,R相,相,二、高温合金中的主要相,Dark-fieldtransmissionelectronmicrographofprecipitates,二、高温合金中的主要相,Ni基固溶体(FCC)Ni3Al(FCC)实际合金中为(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3硼化物:M3B2”-Ni3Nb(BCT)在高Nb合金如718中存在相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相,对中、高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效)-A7B6相(三角晶系):高W,Mo合金中出现不常见的相:Laves相,R相,相,二、高温合金中的主要相,Ni基固溶体(FCC)Ni3Al(FCC)实际合金中为(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3硼化物:M3B2”-Ni3Nb(BCT)在高Nb合金如718中存在相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相,对中、高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效)-A7B6相(三角晶系):高W,Mo合金中出现不常见的相:Laves相,R相,相,左图为高温合金的光学显微镜照片，通常为枝晶组织，枝晶间白色大块为共晶相。,左图为高温合金的扫描电镜照片，黑色块状为相，白色编篮状为，白色块状为碳化物。,三、高温合金的强化,主要强化方法：固溶强化第二相强化晶界强化,高温合金的强化-固溶强化,固溶强化：将一些合金元素(Co,Cr,W,Mo,Nb,Ta,Ti,Al)加入到镍、铁或基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。由于固溶元素可以提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，产生短程有序及其它原子偏聚，阻止位错运动，降低固溶体中元素扩散系数，提高再结晶温度使合金得到强化。,高温合金的强化-固溶强化,固溶强化与以下因素有关：1.尺寸因素，晶格错配强化（弹性应力场，增加位错运动阻力）=2GC:屈服应力G:切变模量:错配度=(a-a0)/(ca0)C:溶质原子浓度溶质强化元素与Ni原子直径差:CoFeCrVTiMoWNbTaZrMgHfBC+1+3+3+5+9+12+13+18+18+28+2930-21-27,高温合金的强化-固溶强化,2.原子价差（电子空位数差）强化(至815)YsCrFeMo,W溶质元素Nv值TiVCr/Mo/WMnFeCoNi6.665.664.663.662.661.660.66机理：电子/原子比增大，堆垛层错能降低，增加,高温合金的强化-固溶强化,3.高温下(T0.6Tm)降低原子扩散系数固溶强化作用随温度升高而下降。晶格畸变弹性应变能及原子不均匀分布均会因温度升高，使原子扩散能力增大而减弱。同时，高温强度不同于室温强度，它更依赖原子扩散能力。只有那些能提高原子间结合力，降低扩散系数，提高再结晶温度及阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高高温强度的作用。主要强化元素：W、Mo、Re机理：高温下保持缓慢的扩散速度，降低其它元素的扩散速度阻止高温下位错攀移提高蠕变抗力,高温合金的强化-固溶强化,高温合金的强化-固溶强化,高温合金的强化-固溶强化,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,第二相强化：高温合金主要依赖于第二相强化。,第二相强化,铸造第二相骨架强化,弥散质点强化,时效析出沉淀强化,/(Ni3Al)、/(NixNb)、碳化物,碳化物骨架强化（钴基铸造合金）,氧化物质点或其它化合物质点,高温合金的强化第二相强化,高温合金的强化第二相强化,镍基高温合金由于可以获得共格的相而得到不同寻常的发展第二相强化主要取决于:的Vol.%，的尺寸，形态，分布，相本身的强化,相沉淀强化机理）共格应变（晶格常数差别）弹性模量差别）相的有序化）堆垛层错能差）之间产生的附加界面能）相的R现象,高温合金的强化第二相强化,高温合金的强化碳化物强化,对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳化物硬而脆的本质及其非共格析出特点，其强化作用有以下特点：低温下位错以Orowan绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难的。作为时效强化相的碳化物须具备以下条件：具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件作为主要强化相的碳化物必须有一定的稳定性。高温下容易长大的碳化物将失去强化效果。,增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但过高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物，引起脆性。一般碳化物总量不能太大，因此强化程度是有限制的。强化基体，减小元素的扩散能力。,高温合金的强化碳化物强化,高温合金的强化晶界强化,低温下，晶界是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。当温度升高时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的塞积位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动与迁移。这样高温下晶界就成为薄弱环节。如右图所示，随温度升高，在一定温度时，晶界和晶内强度相等，这一温度就是“等强温度”，一般是一个温度区间。,高温合金的强化晶界强化,纯净化：有些晶界偏聚的元素是低熔点的，并与基体生成低熔点的化合物或共晶体。它们使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。首先要严格控制气体（N2、O2、H2）含量控制有害元素的含量，最主要的是铋、蹄、硒、铅、跎。,高温合金的强化晶界强化,硫含量对IN100铸造高温合金950232MPa持久寿命与伸长率的影响,高温合金的强化晶界强化,微合金化：晶界强化元素B、Zr、Mg、Hf等提高高温蠕变寿命和塑性B、Zr对U500合金870蠕变的影响0.19%Zr50h140h0.009%B50h400h0.009%B0.01%Zr50h647h对蠕变延伸率的影响0.009%B0.01%Zr=2%=14%镁的主要作用是延长蠕变第二阶段及蠕变第三阶段，推迟蠕变空洞的形成与扩展。,高温合金的强化晶界强化,高温合金的强化晶界强化,晶界控制：大晶粒一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率，小晶粒材料却表现出较高的抗拉强度与疲劳强度。在高温静态下工作的材料晶粒可以控制大一些，对于中温动态下工作的材料则应小些。晶粒大小的选择是十分重要的合金设计内容。消除横向（与应力垂直的方向）晶界能非常有效地提高高温强度。,高温合金的强化工