高温合金基复合材料

1、高温合金基复合材料高温合金 泛指能在600以上高温抗氧化或腐蚀、并在一定应力下可长期使用的一类金属材料，又叫超合金，主要是镍基、铁基合金。 使用在航空发动机，航天火箭发动机以及工业燃气轮机上的各种高温部件的关键材料上。航空发动机中，高温合金用量达40-60 传统Ni基合金缺点：比重大 高温合金高温合金汽车增压器喷嘴环叶片汽车增压器喷嘴环叶片 金属基复合材料最有前途的应用之一是做燃气涡轮发动机的叶片。这类零件在高温和接近现有合金所能承受的最高应力下工作，因此成了复合材料研究的一个主攻方向。 高温复合材料使用温度：1000以上。镍合金基复合材料 镍基复合材料具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗

2、热腐蚀性，是取代传统镍基高温合金制造航空航天舰船及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的新型金属基复合材料。 高温合金基复合材料的研究主要集中在纤维增强高温合金 主要强化纤维有金属纤维，SiC纤维、碳纤维、Al2O3纤维等金属丝/Ni合金基复合材料 常用金属：钨，钍钨丝 优点：可提高工作温度100度以上。 大幅度提高其高温持久性能和高温蠕变性能，一 般可以提高100h 持久强度 1 到3倍，主要用于高 性能航空发动机叶片等重要部件 缺点：比重高，含70%体积比的钨丝镍基复合材料的比 重是强度最好的铸造高温合金的1.9倍陶瓷纤维/Ni基复合材料 蓝宝石纤维，碳纤维，SiC纤维 SiC纤维：SiC纤维

3、或颗粒和镍基合金存在较严重有害的界面反应，且不能兼顾与氧的相容性，不适合发动机环境 蓝宝石纤维缺点：高温下的反应可能造成纤维表面“浸蚀”,由于其表面缺陷敏感性,即使很小的缺陷也会使得纤维性能严重下降。制备成本昂贵,比重较大,力学性能并不高 碳纤维优点：比重小、力学性能高和成本低 缺点：600度以上C在Ni内有一定固溶度，Ni在1000度以上环境会催化C结晶。 解决方案：寻找合适的纤维表面涂层，进行表面改性。难！ 涂层种类：金属，陶瓷 涂层结构：单层，双层，多层 在众多的增强纤维中,难溶金属纤维为最好,因为纤维和基体的界面作用有较大容限,而且钨合金纤维比钽、铂、铌基合金纤维强度高.钨合金纤维的极

4、限拉伸强度在1095 时可达2165MPa,100小时蠕变持久强度达1400MPa,而高温合金仅为90Mpa。 虽然钨合金纤维密度最高,但其持久强度与密度之比大于其他纤维，因而,优先选用钨纤维作为增强材料。 纤维增强高温合金的主要问题是纤维与合金基体难以相容,这会导致纤维性能下降。在最坏的情况下纤维与基体在高温时发生反应,会形成脆性的金属间化合物,甚至会使纤维溶解。钨纤维增强镍基高温合金试验中就曾发生由扩散引起的再结晶,使材料的强度和延展性下降。 用于1000以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。 可改用FeAlCrY高温合金作

5、基体,它与纤维的相容性远高于镍基合金 高温合金基复合材料的研究主要集中在纤维增强高温合金,重点是钨纤维增强FeAlCr、Incoloy907、Waspaloy和W/316AL不锈钢等 应用于:先进空气喷气发动机，火箭发动机陶瓷/铁基合金复合材料 特点:熔点高（大于1000），适合做高温耐磨材料 潜在问题：铁及铁合金对陶瓷材料的润湿性能差 四种常用陶瓷：SiC，Al2O3，TiC， ZrO2 常用制备方法：原位生长法，粉末冶金法，自蔓延高温合成法，浸渍法等。 SiC陶瓷：与 Fe 熔液在高温下产生剧烈的化学反应生成脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化陶瓷金属界面。 制备方法：粉末冶

6、金法和浸渍法 研究方向：提高润湿性和控制界面反应程度方法：1) 添加合金元素。如在铁合金中添加 Ti、Zr 、Hf 等活性金属元素，这些活性元素与 SiC 反应生成可被 Fe 熔液润湿的 Si 或半金属的碳化物层。2) 在铁合金中添加 Si 元素，Si 的加入可以大大降低铁合金与 SiC 润湿角。 Al2O3陶瓷与 Fe 熔液的润湿性差(润湿角为 140左右)，导致两者界面结合力弱；无界面反应，化学兼容性好 Al2O3陶瓷作为钢铁材料的增强体，不仅改善钢铁的高温抗氧化性、抗蠕变性及耐磨性，也使产品成本大大降低 优化方案: 对蓝宝石陶瓷进行表面金属化处理，Ni涂层I. 调整铁合金的化学成分以提高两者的润湿性，比如添加稀土元素和B元素 TiC 陶瓷与 Fe 熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面反应，在铁中溶解度低，制备简单，不用特殊处理。 常用制备方法：原位反应法，SHS Fe 基合金大多数选用 FeAl 合金 研究方向：改善制备工艺及调整合金元素或添加合金元素进一步改善润湿性 ，以提高界面结合能力。比如指出加入Mo和Al可改善TiC与Fe熔液的润湿性，添加微量的稀土元素（0.6-0.8at%）可提高复合材料的延展性 ZrO2 陶瓷