耐热钢及耐热合金

1、概述概述 o 高温下工作并具有一高温下工作并具有一 定强度和抗氧化、耐定强度和抗氧化、耐 蚀能力的铁基合金称蚀能力的铁基合金称 为耐热钢。为耐热钢。 o 在高温下使用的在高温下使用的NiNi基，基， CoCo基，基，MoMo基，基，NbNb基，基， TaTa基等合金称为高温基等合金称为高温 合金。合金。 飞机发动机飞机发动机 10.1 10.1 耐热金属材料的工作条件及性能特点耐热金属材料的工作条件及性能特点 一、工作条件和性能要求一、工作条件和性能要求 二、耐热钢的抗氧化性二、耐热钢的抗氧化性 三、耐热金属材料的热三、耐热金属材料的热 强性（高温强度）强性（高温强度） 四、耐热钢及耐热合金四

2、、耐热钢及耐热合金 的分类的分类 锅炉管锅炉管 一、耐热金属材料工作条件和性能要求一、耐热金属材料工作条件和性能要求 o 工作环境工作环境 高温高温 高压力（较大应力）高压力（较大应力） 高温氧化（高温腐蚀）高温氧化（高温腐蚀） o 失效形式失效形式 高温氧化（热腐蚀）高温氧化（热腐蚀） 蠕变蠕变 热疲劳等热疲劳等 蠕变：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，应力小于材料的屈服强蠕变：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，应力小于材料的屈服强 度，也会缓慢地产生塑性变形，这个现象称为蠕变。度，也会缓慢地产生塑性变形，这个现象称为蠕变。 汽轮机转子汽轮机转子 一、耐热金属材料工作条件和性能要求一、耐热金

3、属材料工作条件和性能要求 o 应具备的基本性能应具备的基本性能 优良的高温力学性能优良的高温力学性能热强性热强性 高温化学稳定性高温化学稳定性 物理性能（高温下的热膨胀率，热导性）物理性能（高温下的热膨胀率，热导性） 良好的加工性能良好的加工性能 o 钢的热强性钢的热强性 高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑 性变形和破断的能力。性变形和破断的能力。 一、耐热金属材料工作条件和性能要求一、耐热金属材料工作条件和性能要求 o 热强性能指标的表达方式热强性能指标的表达方式 蠕变极限，持久强度、持久寿命。蠕变极限，持久强度、持久寿命。 蠕变极限蠕变极限：在给定

4、温度下和规定时间内到达规定变形量时在给定温度下和规定时间内到达规定变形量时 所能承受的应力。或在给定的温度下，使试样所能承受的应力。或在给定的温度下，使试样 产生规定的蠕变速度的应力。产生规定的蠕变速度的应力。 持久强度持久强度：在一定温度下，：在一定温度下， 在规定时间内，材料断裂所能在规定时间内，材料断裂所能 承受的最大应力。承受的最大应力。 持久寿命持久寿命：在某一温度和规定应力作用下，从作用开始到：在某一温度和规定应力作用下，从作用开始到 拉断的时间。拉断的时间。 二、耐热钢的抗氧化性二、耐热钢的抗氧化性 o 抗氧化性抗氧化性不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高温不是说在高温条件下不

5、被氧化，而是指在高温 下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连续致下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连续致 密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜 起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续 氧化。氧化。 o 抗氧化性评定方法抗氧化性评定方法 增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增 减来表征），容量法（恒压下测量减来表征），容量法（恒压下测量O O2 2的消耗量），压力法的消耗量），压力法 （密闭容器中，用压力下降

6、来测定氧气的消耗量）（密闭容器中，用压力下降来测定氧气的消耗量） （一）普通钢的高温氧化（一）普通钢的高温氧化 o 超过超过300300，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高， 氧化加剧。超过氧化加剧。超过570 570 氧化特别强烈。氧化特别强烈。570 570 以下，以下， FeFe的氧化膜主要由的氧化膜主要由FeFe2 2O O3 3FeFe3 3O O4 4组成，但超过组成，但超过570 570 主要由主要由FeOFeOFeFe3 3O O4 4+Fe+Fe2 2O O3 3组成，而组成，而FeOFeO是缺位固溶是缺位固溶 体，氧原子能自由进入体，氧原子能

7、自由进入 Fe FeO Fe3O4Fe2O3O O2 2 570 570 以上以上FeFe氧化膜示意图氧化膜示意图 （2 2）提高钢抗氧化性的途径）提高钢抗氧化性的途径 o 形成保护性的氧化膜形成保护性的氧化膜 o 主要采用合金化的方法，一般添加主要采用合金化的方法，一般添加CrCr，AlAl， SiSi元素形成元素形成CrCr2 2O O3 3，AlAl2 2O O3 3和和SiOSiO2 2氧化膜，防止氧化膜，防止 氧化氧化 o CrCr是最常用的抗氧化元素是最常用的抗氧化元素 o 渗铝，渗渗铝，渗CrCr或者在金属表面涂覆保护性的薄或者在金属表面涂覆保护性的薄 膜也是常用的方法膜也是常用

8、的方法 三、耐热金属的热强性（高温强度）三、耐热金属的热强性（高温强度） o 金属高温力学性能的特点金属高温力学性能的特点 1 1、与室温力学性能的区别在于受、与室温力学性能的区别在于受温度温度 和和时间时间的影响的影响 2 2、高温下的断裂形式发生变化、高温下的断裂形式发生变化 常温下均为常温下均为穿晶穿晶断裂，高温下经断裂，高温下经 常为常为沿晶沿晶断裂断裂 三、耐热金属的热强性（高温强度）三、耐热金属的热强性（高温强度） o 提高耐热钢热强性途径提高耐热钢热强性途径 1.1.影响热强性的因素影响热强性的因素 （1 1）影响耐热钢软化的因素）影响耐热钢软化的因素 温度提高，原子间结合力下降

9、，原子扩散系数温度提高，原子间结合力下降，原子扩散系数 增大，使钢中的亚稳态向稳态过渡等导致软化增大，使钢中的亚稳态向稳态过渡等导致软化 （2 2）形变断裂方式的变化）形变断裂方式的变化 穿晶沿晶穿晶沿晶 三、耐热金属的热强性（高温强度）三、耐热金属的热强性（高温强度） 2.2.提高热强性途径提高热强性途径 （1 1）基体强化）基体强化 提高基体的原子间结合力，降低固溶体的提高基体的原子间结合力，降低固溶体的 扩散过程。一般熔点高，自扩散系数小，能提扩散过程。一般熔点高，自扩散系数小，能提 高再结晶温度的合金元素固溶于基体都能提高高再结晶温度的合金元素固溶于基体都能提高 热强性，如热强性，如M

10、oMo，W W，CoCo，CrCr等。另外，奥氏体等。另外，奥氏体 组织较铁素体结合紧密，扩散不易进行。组织较铁素体结合紧密，扩散不易进行。 提高耐热钢热强性途径提高耐热钢热强性途径 （2 2）第二相沉淀强化）第二相沉淀强化 主要要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温长期主要要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温长期 保持细小弥散分布。耐热钢大多用高熔点碳化物作强保持细小弥散分布。耐热钢大多用高熔点碳化物作强 化相，如化相，如MCMC，M M23 23C C6 6， ，M M6 6C C，更高温度则用金属间化合物，更高温度则用金属间化合物 作强化相，如作强化相，如NiNi3 3（Al.TiAl

11、.Ti），），NiNi3 3TiTi，NiNi3 3AlAl等等 （3 3）晶界强化）晶界强化 高温晶界强度低，适当增大晶粒度，减少晶界数量是高温晶界强度低，适当增大晶粒度，减少晶界数量是 常用的方法，另外，还可以采用常用的方法，另外，还可以采用a.a.净化晶界；净化晶界；b.b.填充填充 晶界空位；晶界空位；c.c.晶界沉淀强化等手段强化晶界。晶界沉淀强化等手段强化晶界。 四、耐热钢和耐热合金的分类四、耐热钢和耐热合金的分类 o 按元素分按元素分:Fe:Fe基，基，NiNi基，基，CoCo基，基，MoMo基，基，TaTa基，基， NbNb基等。基等。 o 按组织分：按组织分： -Fe-Fe基

12、耐热钢基耐热钢（珠光体耐热钢，马氏体耐热钢，（珠光体耐热钢，马氏体耐热钢， 铁素体耐热钢）铁素体耐热钢） -Fe-Fe基耐热钢基耐热钢（奥氏体耐热钢）（奥氏体耐热钢） NiNi基耐热合金基耐热合金（Cr20Ni80Cr20Ni80为基础）为基础） 难熔金属耐热合金难熔金属耐热合金 10.2 10.2 抗氧化钢抗氧化钢 o 工作环境：高温下长期工作工作环境：高温下长期工作 载荷不大载荷不大 o 应用举例：工业加热炉的构件应用举例：工业加热炉的构件 o 分类：铁素体型抗氧化钢分类：铁素体型抗氧化钢 奥氏体型抗氧化钢奥氏体型抗氧化钢 10.2 10.2 抗氧化钢抗氧化钢 o铁素体型抗氧化钢铁素体型抗

13、氧化钢 在铁素体不锈钢基础上添加适量的在铁素体不锈钢基础上添加适量的SiSi，AlAl发发 展而来。展而来。 Cr13Cr13型：型：Cr13Si3Cr13Si3，Cr13SiAlCr13SiAl， 800-850800-850 Cr18Cr18型：型：Cr18Si2Cr18Si2，Cr17Al4SiCr17Al4Si，1000 1000 Cr25Cr25型：型：Cr24Al2SiCr24Al2Si，Cr25Si2Cr25Si2，1050-1100 1050-1100 特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷 10.2 10.2 抗氧化钢抗氧化钢

14、 o 奥氏体型抗氧化钢奥氏体型抗氧化钢 在奥氏体不锈钢基础上发展而来，比铁素体不锈钢在奥氏体不锈钢基础上发展而来，比铁素体不锈钢 有更好的热强性和加工工艺性能，可承受一定载荷。有更好的热强性和加工工艺性能，可承受一定载荷。 代表：代表：Cr18Ni25Si2Cr18Ni25Si2 为了节省为了节省NiNi，开发了，开发了Fe-Al-Mn Fe-Al-Mn 和和Cr-Mn-NCr-Mn-N系系 10.3 10.3 珠光体及马氏体耐热钢珠光体及马氏体耐热钢 10.3.1 10.3.1 珠光体耐热钢珠光体耐热钢 一、概述一、概述 o 定义：珠光体耐热钢指在正火状态下，显微组定义：珠光体耐热钢指在正火

15、状态下，显微组 织是珠光体的耐热钢。织是珠光体的耐热钢。 o 应用：石油化工，动力工业应用：石油化工，动力工业 o 分类：低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热钢。分类：低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热钢。 二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢） 1.工作条件及性能要求工作条件及性能要求 工作条件工作条件：主要用作锅炉：主要用作锅炉 管，管内高压蒸汽，外壁管，管内高压蒸汽，外壁 与火焰烟气接触与火焰烟气接触 性能要求性能要求： 足够的高温强度和持久性能足够的高温强度和持久性能 足够的抗氧化及耐蚀性能足够的抗氧化及耐蚀性能 足够的组织稳定性能足够的组织稳定性能 良好的

16、冷、热加工性能良好的冷、热加工性能 二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢） 2 2、化学成分特点：、化学成分特点： 低的含碳量：低的含碳量：0.08-0.20.08-0.2 可保证良好的冷、热加工性，可保证良好的冷、热加工性， 抗氧化性，不易产生碳化物抗氧化性，不易产生碳化物 的聚集长大、球化和石墨化。的聚集长大、球化和石墨化。 适量的适量的CrCr，MoMo，W W，V V，TiTi，NbNb 为进一步提高抗氧化性，稳定为进一步提高抗氧化性，稳定 钢的组织及热强性。钢的组织及热强性。 代表牌号：代表牌号： 16Mo16Mo、12CrMo12CrMo、12Cr

17、MoV12CrMoV，使用温度为，使用温度为(350550) (350550) 冷拔锅炉管冷拔锅炉管 二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢） 3.3.组织稳定性组织稳定性 低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经常低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经常 发生一系列的变化，导致构件失效，主要有发生一系列的变化，导致构件失效，主要有 三个方面：三个方面： （1 1）珠光体的球化及碳化物聚集长大）珠光体的球化及碳化物聚集长大 （2 2）石墨化）石墨化 （3 3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和 再分配再分配 （1 1）珠光体的球化及碳化

18、物聚集长大）珠光体的球化及碳化物聚集长大 o 珠光体耐热钢在高温下长期使用，都发生层珠光体耐热钢在高温下长期使用，都发生层 片状珠光体球化和片状渗碳体的聚集长大。使片状珠光体球化和片状渗碳体的聚集长大。使 钢的强度明显降低，完全球化后的持久强度比钢的强度明显降低，完全球化后的持久强度比 未球化的降低未球化的降低1/31/3左右。左右。 o 一般添加一般添加CrCr，MoMo，V V形成碳化物，可明显阻形成碳化物，可明显阻 止渗碳体的球化。止渗碳体的球化。 未球化，珠光体中碳化物略呈片状未球化，珠光体中碳化物略呈片状 轻度球化，珠光体区域中碳化物开始分散，轻度球化，珠光体区域中碳化物开始分散，

19、并开始向晶界扩散，珠光体形态尚明显。并开始向晶界扩散，珠光体形态尚明显。 中度球化，珠光体区域中的碳中度球化，珠光体区域中的碳 化物已明显分散，并已向晶界化物已明显分散，并已向晶界 聚集，珠光体尚保留其形态聚集，珠光体尚保留其形态 完全球化，珠光体已基本消失，完全球化，珠光体已基本消失， 球状碳化物分布在晶界及铁素球状碳化物分布在晶界及铁素 体基体上，分散度大体基体上，分散度大 （2 2）石墨化）石墨化 o 是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组织是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组织 o 渗碳体分解出石墨渗碳体分解出石墨 FeFe3 3C C3Fe3FeG G（石墨）（石墨） o 后果：钢

20、的蠕变极限，持久强度，塑性，韧性后果：钢的蠕变极限，持久强度，塑性，韧性 明显下降明显下降 o 预防：预防：0.3-0.50.3-0.5的的CrCr可预防石墨化，强碳化物可预防石墨化，强碳化物 形成元素可抑制石墨化形成元素可抑制石墨化 o 促进石墨化元素：促进石墨化元素：MoMo，AlAl，SiSi，NiNi 1 1级石墨化，现象不明显，级石墨化，现象不明显， 游离碳占游离碳占20%20%左右。左右。b b降低降低 不明显，不明显，a ak k7%7% 2 2级明显石墨化，游离碳占级明显石墨化，游离碳占40%40% 左右。左右。2-32-3级时级时b b降低降低8-10%8-10%， a ak

21、 k4-7%4-7% （3 3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配 o 含含MoMo的珠光体耐热钢，如的珠光体耐热钢，如16Mo16Mo，15CrMo15CrMo等，等， 在高温下工作，固溶体中的在高温下工作，固溶体中的MoMo会逐渐减少，而会逐渐减少，而 碳化物中的碳化物中的MoMo会逐渐增多。会逐渐增多。 o 使钢的热强性严重下降使钢的热强性严重下降 o 降低合金元素再分配方法降低合金元素再分配方法 固溶体复合合金化固溶体复合合金化 加入加入TiTi，V V，NbNb等强碳化物形成元素等强碳化物形成元素 二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转

22、子用钢）二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢） o 耐热的紧固件（螺栓，螺耐热的紧固件（螺栓，螺 母，气封弹簧片，阀杆），母，气封弹簧片，阀杆）， 汽轮机转子（主轴，叶轮）汽轮机转子（主轴，叶轮） 等等 二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢） o使用环境特点：使用环境特点： 温度低于锅炉管子温度低于锅炉管子 承受扭转，弯曲，震动所产生的应力和温度梯度引起的热应力承受扭转，弯曲，震动所产生的应力和温度梯度引起的热应力 o性能要求性能要求 较高的热强性，热疲劳性，高温塑性，韧性的综合性能较高的热强性，热疲劳性，高温塑性，韧性的综合性能

23、o加工加工 一般采用锻造加工，少用焊接一般采用锻造加工，少用焊接 o合金化特点合金化特点 含碳量较高含碳量较高CrCr，MoMo（提高淬透性和回火稳定性）适量的（提高淬透性和回火稳定性）适量的TiTi， NbNb，V V，B B等。等。 o热处理热处理 淬火高温回火淬火高温回火 10.3.2 10.3.2 马氏体耐热钢马氏体耐热钢 汽轮机叶片汽轮机叶片 叶片用钢叶片用钢 内燃机排气阀用钢内燃机排气阀用钢 叶片用钢 o 工作环境：承受复杂应力工作环境：承受复杂应力 高压蒸汽冲刷高压蒸汽冲刷 o 性能要求：高的耐蚀性，热强性，耐磨性，性能要求：高的耐蚀性，热强性，耐磨性， 抗氧化性抗氧化性 o 成

24、分特点：在成分特点：在Cr13Cr13基础上适当添加基础上适当添加W W，V V，NbNb 等元素提高热强性等元素提高热强性 o 代表钢种：代表钢种：1Cr131Cr13，2Cr132Cr13，15Cr11MoV15Cr11MoV 内燃机排气阀用钢内燃机排气阀用钢 o 工作环境：工作环境：700-850700-850，燃气中含有，燃气中含有NaNa，S S，V V等气等气 体和盐类介质体和盐类介质 o 损伤形式：机械疲劳，热疲劳，气体冲刷等损伤形式：机械疲劳，热疲劳，气体冲刷等 o 性能要求：高温强度，硬度，韧性，抗氧化性，耐性能要求：高温强度，硬度，韧性，抗氧化性，耐 蚀性，组织稳定蚀性，组

25、织稳定 o 成分特点：添加成分特点：添加SiSi提高抗氧化性，提高抗氧化性，MoMo提高淬透性和提高淬透性和 第二类回火脆性第二类回火脆性 o 代表钢种：代表钢种：4Cr9Si24Cr9Si2，4Cr14Ni14W2Mo4Cr14Ni14W2Mo o 热处理工艺：淬火热处理工艺：淬火 + + 高温回火，使用组织：索氏体高温回火，使用组织：索氏体 10.4 10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金奥氏体耐热钢及耐热合金 o 概述：概述： 珠光体及马氏体耐热钢均为珠光体及马氏体耐热钢均为-Fe-Fe基，在使用基，在使用 温度超过温度超过600600以上，化学稳定性和热稳定性以上，化学稳定性和热稳定性 都不

26、足以保证良好的使用性能，这时必须采用都不足以保证良好的使用性能，这时必须采用 -Fe-Fe基奥氏体耐热钢或耐热合金基奥氏体耐热钢或耐热合金 10.4 10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金奥氏体耐热钢及耐热合金 o -Fe-Fe基奥氏体耐热钢比基奥氏体耐热钢比-Fe-Fe基耐热钢具有基耐热钢具有 更高的热强性，原因在于：更高的热强性，原因在于： 1. -Fe1. -Fe晶型的原子间结合力比晶型的原子间结合力比-Fe-Fe大；大； 2. -Fe2. -Fe中中FeFe及其他元素原子的扩散系数及其他元素原子的扩散系数 小，再结小，再结 晶温度高，其再结晶温度可以达到晶温度高，其再结晶温度可以达到 800

27、800以上，而以上，而-Fe-Fe再结晶温度为再结晶温度为450450600 600 。 10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金 o 奥氏体耐热钢的优点奥氏体耐热钢的优点 较高的抗氧化性，高的塑性、韧性，良好的可焊性。较高的抗氧化性，高的塑性、韧性，良好的可焊性。 o 缺点：缺点： 室温强度低，导热性差，压力加工及切削困难。室温强度低，导热性差，压力加工及切削困难。 o 分类：固溶强化型分类：固溶强化型 碳化物沉淀强化型碳化物沉淀强化型 金属间化合物沉淀强化型（铁基耐热合金）金属间化合物沉淀强化型（铁基耐热合金） 固溶强化型 o 合金化特点合金化特点 低碳，主加元素为低碳，主加元素为CrCr，NiN

28、i形形 成奥氏体组织，添加成奥氏体组织，添加W W，MoMo固溶固溶 强化提供固溶强化强化提供固溶强化 o 特点：焊接及冷加工成型性好特点：焊接及冷加工成型性好 o 使用环境：温度较高，承受载使用环境：温度较高，承受载 荷不大的零件上，如高温传送荷不大的零件上，如高温传送 带，喷气发动机的喷嘴等带，喷气发动机的喷嘴等 o 代表钢种：代表钢种：Incoloy800Incoloy800 Cr20Ni32Cr20Ni32 碳化物沉淀强化型 o化学成分特点化学成分特点 高高CrCr，NiNi以形成奥氏体；以形成奥氏体； 含有强碳化物形成元素：含有强碳化物形成元素：W W，MoMo，NbNb，V V等；

29、等； o特点：以碳化物为沉淀强化相特点：以碳化物为沉淀强化相 o热处理：铸态使用或锻轧后经固溶处理时效处理后使用热处理：铸态使用或锻轧后经固溶处理时效处理后使用 o代表钢种：代表钢种：4Cr25Ni204Cr25Ni20（HK40HK40） 5Cr25Ni355Cr25Ni35（HPHP） 5Cr25Ni33NbW 5Cr25Ni33NbW o组织特点：组织特点：M M7 7C C3 3，MCMC为骨架强化晶界为骨架强化晶界 o用途：石化装置用途：石化装置 600-1050600-1050 载荷不高载荷不高 金属间化合物沉淀强化型金属间化合物沉淀强化型 o化学成分特点：低碳，（化学成分特点：低

30、碳，（0.080.08 ）高）高NiNi（25-4025-40），添加），添加 AlAl，TiTi，MoMo，W W，V V稳定奥氏体稳定奥氏体 并形成并形成NiNi3 3(Al,Ti)(Al,Ti)相沉相沉 淀强化淀强化 o代表钢种：代表钢种： GH132GH132 （0Cr15Ni26MoTi2AlVB0Cr15Ni26MoTi2AlVB），）， GH130GH130 o应用：应用：600-700,600-700,载荷较大构载荷较大构 件，如涡轮盘，导向叶片等件，如涡轮盘，导向叶片等 航空发动机涡轮盘航空发动机涡轮盘 10.5 Ni10.5 Ni基高温合金基高温合金 o 耐热钢和铁基耐热合

31、金在较高载荷下使用温耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下使用温 度只能达到度只能达到750-850750-850，对于更高温度下使，对于更高温度下使 用的部件，一般采用用的部件，一般采用NiNi基，基，CoCo基及其他难熔基及其他难熔 金属为基体的合金金属为基体的合金 10.5 Ni10.5 Ni基高温合金基高温合金 一、镍基高温合金的合金化一、镍基高温合金的合金化 o NiNi基高温合金是在基高温合金是在Cr20Ni80Cr20Ni80的基础上发展而来的，的基础上发展而来的， 合金中加入大量的强化元素，如合金中加入大量的强化元素，如W W，MoMo，TiTi，AlAl， NbNb，CoCo等，一

32、般不含等，一般不含FeFe o 基体是基体是NiNi，组织是奥氏体，组织是奥氏体 o 合金元素作用合金元素作用 AlAl，NiNi，TiTi生成稳定的强化相生成稳定的强化相NiNi3 3（AlAl，TiTi） NbNb形成形成NiNi3 3（AlAl，TiTi，NbNb）沉淀强化）沉淀强化 CrCr抗氧化抗氧化 B B，CeCe，ZrZr微量，强化晶界微量，强化晶界 NiNi高温合金的分类高温合金的分类 o变形镍基高温合金变形镍基高温合金 铸造后经锻轧加工铸造后经锻轧加工 特点：较高的强度和高温持久性能特点：较高的强度和高温持久性能 较好的持久塑性，较好的加工性能。较好的持久塑性，较好的加工性

33、能。 使用温度：使用温度：700-1000700-1000 用途：喷气发动机叶片用途：喷气发动机叶片 热处理：热处理： 1.1.固溶处理：固溶处理：1040-12301040-1230 2.2.时效：从固溶处理后的介稳状态中时效：从固溶处理后的介稳状态中 析出强化相析出强化相 3.3.中间热处理（二次固溶处理）：中间热处理（二次固溶处理）： 控制合金晶界沉淀相的种类、大小、控制合金晶界沉淀相的种类、大小、 数量和分布为时效处理作准备数量和分布为时效处理作准备 NiNi高温合金的分类高温合金的分类 o 铸造镍基高温合金铸造镍基高温合金 由于熔炼新工艺，细化晶粒及小孔铸造技术的由于熔炼新工艺，细化

34、晶粒及小孔铸造技术的 发展，使铸造镍基高温合金质量获得较大的提发展，使铸造镍基高温合金质量获得较大的提 升和改善，使用温度可达升和改善，使用温度可达1050 .1050 .由于铸造后由于铸造后 冷却缓慢，多数析出反应进行的较完全，在铸冷却缓慢，多数析出反应进行的较完全，在铸 态下可直接使用。态下可直接使用。 组织特点：显微组织有疏松，偏析和枝晶组织特点：显微组织有疏松，偏析和枝晶 （通过热等静压工艺消除）（通过热等静压工艺消除） 10.610.6高温合金的发展高温合金的发展 一、采用特殊的先进技术生产高温合金一、采用特殊的先进技术生产高温合金 目的：提高使用温度，力学性能和耐蚀能力目的：提高使

35、用温度，力学性能和耐蚀能力 1.1.粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金 消除组织的不均匀性，并细化晶粒消除组织的不均匀性，并细化晶粒 还可以制备出含有更多强化相（硼化物，还可以制备出含有更多强化相（硼化物， 氧化物，硅化物等）的新合金氧化物，硅化物等）的新合金 10.610.6高温合金的发展高温合金的发展 2.2.定向凝固高温合金定向凝固高温合金 起因：大多数高温合金制造的涡起因：大多数高温合金制造的涡 轮叶片的破坏，是由于垂直于应轮叶片的破坏，是由于垂直于应 力轴方向的晶界断裂引起的，如力轴方向的晶界断裂引起的，如 能减少或消除叶片中垂直于应力能减少或消除叶片中垂直于应力 轴的晶界，将大大提高

36、叶片的使轴的晶界，将大大提高叶片的使 用寿命用寿命. . 缺点：结晶速度低，生产成本高缺点：结晶速度低，生产成本高 各种发动机各种发动机 定向凝固涡轮叶片定向凝固涡轮叶片 3.3.单晶高温合金单晶高温合金 与定向凝固相比，与定向凝固相比， 工作温度可提高工作温度可提高 25-5025-50，热稳定性，热稳定性 提高提高5 5倍，持久、蠕倍，持久、蠕 变性能提高变性能提高20-3020-30 直升飞机用粉末盘和单晶叶片的涡轮转子直升飞机用粉末盘和单晶叶片的涡轮转子 单晶叶片单晶叶片 一、采用特殊的先进技术生产高温合金一、采用特殊的先进技术生产高温合金 4.4.金属间化合物金属间化合物 优点：优异

37、的高温性能：屈服强度高，弹性优点：优异的高温性能：屈服强度高，弹性 模量，密度小，比强度高，良好的抗高温氧模量，密度小，比强度高，良好的抗高温氧 化性化性. . 缺点：室温脆性大，易断裂，难切削缺点：室温脆性大，易断裂，难切削 代表：代表：NiNiAlAl系系 TiTiAlAl系系 应用：航空，航天，能源领域应用：航空，航天，能源领域 二、难熔金属及合金二、难熔金属及合金 o 超高温下使用，超高温下使用，13001300并承受大应力并承受大应力 o TaTa，MoMo，NbNb基合金基合金 o 特点特点 熔点高，高温强度高，熔炼加工困难，密度大熔点高，高温强度高，熔炼加工困难，密度大 o 应用

38、应用 航天，高压，超高温交换器等领域航天，高压，超高温交换器等领域 严重球化，晶界及铁素严重球化，晶界及铁素 体基体上的碳化物已逐体基体上的碳化物已逐 渐长大，分散度大渐长大，分散度大 1级石墨化，现象不明显，级石墨化，现象不明显， 游离碳占游离碳占20%左右。左右。b 降低不明显，降低不明显，ak7% 2级明显石墨化，游离碳占级明显石墨化，游离碳占 40%左右。左右。2-3级时级时b降低降低 8-10%，ak4-7% 二、耐热钢的抗氧化性二、耐热钢的抗氧化性 o 抗氧化性抗氧化性不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高温不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高温 下迅速氧化，但在氧化后能在金属表

39、面形成一层连续致下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连续致 密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜 起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续 氧化。氧化。 o 抗氧化性评定方法抗氧化性评定方法 增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增 减来表征），容量法（恒压下测量减来表征），容量法（恒压下测量O O2 2的消耗量），压力法的消耗量），压力法 （密闭容器中，用压力下降来测定氧气的消耗量）（密闭容器中，用压力下降来测定氧气

40、的消耗量） （一）普通钢的高温氧化（一）普通钢的高温氧化 o 超过超过300300，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高， 氧化加剧。超过氧化加剧。超过570 570 氧化特别强烈。氧化特别强烈。570 570 以下，以下， FeFe的氧化膜主要由的氧化膜主要由FeFe2 2O O3 3FeFe3 3O O4 4组成，但超过组成，但超过570 570 主要由主要由FeOFeOFeFe3 3O O4 4+Fe+Fe2 2O O3 3组成，而组成，而FeOFeO是缺位固溶是缺位固溶 体，氧原子能自由进入体，氧原子能自由进入 Fe FeO Fe3O4Fe2O3O O2 2 570 570 以上以上FeFe氧化膜示意图氧化膜示意图 （2 2）提高钢抗氧化性的途径）提高钢抗氧化性的途径 o 形成保护性的氧化膜形成保护性的氧化