材料与环境08

1、1,高温合金,(Superalloys),2,航空发动机（aero-engine）, 活塞式航空发动机。早期在飞机或直升机上应用的航空发动机，用于带动螺旋桨或旋翼。大型活塞式航空发动机的功率可达2500千瓦。后来为功率大、高速性能好的燃气涡轮发动机所取代。但小功率的活塞式航空发动机仍广泛地用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机。,1903年12月17日，莱特兄弟的发明使人类第一次飞上天空。 功率: 8.95 kW，重量: 81 kg,3, 燃气涡轮发动机。应用最广，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机，都具有压气机、燃烧室和燃气涡轮。涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于80

2、0千米的飞机；涡轮轴发动机主要用作直升机的动力；涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机；涡轮喷气发动机主要用于超声速飞机。,网络上流传的中国五代战机想象图,4,美国F-22“猛禽”,俄罗斯米格-31“捕狐犬”,5,法国“阵风”战斗机,美国YF22A型战斗机,欧洲EF2000战斗机,俄罗斯米格1.44战斗机,6,冲压发动机。特点是无压气机和燃气涡轮，进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。它构造简单、推力大，特别适用于高速高空飞行。由于不能自行起动和低速下性能欠佳，限制了应用范围，仅用在导弹和空中发射的靶弹上。 上述发动机均由大气中吸取空气作为燃料燃烧的氧化剂，故又称吸空气发动机。 其他还有

3、火箭发动机、脉冲发动机和航空电动机。火箭发动机燃料消耗太大，不适于长时间工作，仅用于短时间飞机加速（如起动加速器）。脉冲发动机主要用于低速靶机和航空模型飞机。由太阳电池驱动的航空电动机仅用于轻型飞机，尚处在试验阶段。,7,涡轮喷气发动机示意图,8,国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图,9,所谓高温合金是指为在承受相当严酷的机械应力和要求良好的表面稳定性的环境下进行高温(600) 服役而研制的一种合金。高温合金已广泛用于航空航天发动机、民用燃气轮机、核动力系统及石油化工厂的耐热部件。,1. 高温合金的分类及牌号,10,(1) 高温合金的分类,按基体元素分类： 铁基高温合金(以铁为主，加入的合金元素

4、总量超过50%的铁基合金)、 镍基高温合金、钴基高温合金 按制备工艺分类： 有变形高温合金，铸造高温合金，粉末冶金高温合金。 按强化方式分类： 固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型、纤维强化型。,11,(2) 高温合金的牌号,我国变形高温合金的编号为GH+四位数字，如GH4037。（GB/T149921994） 第一位数字表示分类号，即： 1表示固溶强化型铁基合金； 2表示时效硬化型铁基合金； 3表示固溶强化型镍基合金； 4表示时效硬化型镍基合金； 5表示固溶强化型钴基合金； 6表示时效硬化型钴基合金。 第二、三、四位数字表示合金的编号。 焊接高温合金丝的编号为HGH+四位数字，含义与变形

5、高温合金相同。,12,13,14,15,铸造高温合金编号为K+三位数字，如K403。 第一位数字表示分类号，即： 2表示时效硬化型铁基合金； 4表示时效硬化型镍基合金； 6表示时效硬化型钴基合金。 第二、三位数字表示合金的编号。,16,2. 高温合金的强化机理,(1) 高温下对材料的要求,优异的、综合性的高温力学性能。即材料具有优良的抗蠕变性能，足够的高温持久强度，良好的高温疲劳性能，适当的高温塑性等，以保证金属材料在服役期间内安全工作，具备应有的使用寿命。 在相应的工作环境中具有良好的耐高温腐蚀性能。在受力或不受力的高温工作环境中，能耐高温氧化或耐高温硫化，或耐混合气氛中的高温腐蚀等性能。能

6、达到设计要求的使用寿命，保证不因高温腐蚀而使材料遭受破坏。,17,高温下使用的材料应具有足够好的冶炼加工等工艺性能。高温下的工作部件的形状往往是十分复杂的对所使用材料的化学成分的要求也是十分严格的，因此要求这些材料要具有良好的冶炼工艺性以及足够好的铸造、锻造、焊接、机加工性能等以保证能获得实际工程中所得要的工程部件和设备。 适宜的经济可行性。即在选材时，除应注意到材料的寿命外，还必须兼顾到材料的成本、加工制造部件或设备的成本、部件的可更换性、安全可靠性等因紊，全面地衡量经济的可行性。 上述对高温下使用材料的基本要求在具体工程中必须进行综合考虑，特别是在设计选材时要全面考虑。,18,(2) 材料

7、的高温性能,最常用的高温性能指标为高温蠕变极限和持久强度。 蠕变极限是指高温长时间载荷下材料对变形的抗力，该指标是高温强度设计的重要依据;当载荷大于材料弹性极限，工作温度高于0.5Tm时，将发生蠕变。 持久强度是指在一定温度下在规定时间内使材料断裂的最大应力值。 二者均用于高温静载下材料的强度，但又有所区别。蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温部件；而持久强度则是适用于以断裂为失效方式的部件。,19,高温疲劳性能,通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。随着温度升高，疲劳强度降低。,20,(3) 高温合金的强化原理, 固溶强化 通过合金元素加入造成固溶体的晶格畸变，改变显微应力场的

8、条件，使材料的滑移变形抗力增加。 合金元素的加入，可以改变基体合金原子间的电子构型，提高原子间的结合力，使元素在固溶体中扩散能力减弱，延缓扩散变形过程的进行。 某些合金元素易于使固溶体中形成堆垛层错及短程有序化，从而阻碍了滑移式变形。,21,高温合金中的主要固溶强化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。,多元合金化能更高地增加热强性，良好的多元合金化可通过降低扩散过程来提高热强性。 从高温强化的位错出发，多元合金化有利于形成溶质不均匀分布的集团，增加位错滑移阻力，阻止扩散型形变机构，从而起到良好的固溶强化作用。 在溶解度范围内尽可能多地加入固溶合金元素，可使固溶强化的效果得到充分的发挥。,22,

9、 沉淀强化,采用析出相强化必须具备以下基本条件： 在相图上具有团溶体的固溶度随温度的变化而变化的曲线，同时合金的成分处于双相区内， 析出相本身具有优异的热强性，其最高稳定温度决定了析出相强化的极限温度， 析出相是弥散均匀分布在基体上，并在高温长期使用时具有一定的稳定性。,时效析出相强化纳效果与合金中析出相的本质(析出相的种类、晶体结构、成分以及与基本的配合程度)、大小、数量和稳定性有着密切的关系。,23,除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相是Ni3(AlTi)，某些高温合金用Ni3(NbTa)强化，主要强化元素是Al、Ti、Nb、Ta。 高温合金中的相： 基体奥氏体 间隙相过渡金属与

10、碳、氮、硼形成的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物。 金属间化合物过渡金属元素之间形成的二元或多元的金属间化合物，包括 、 、Laves、 、,24,25, 晶界强化,高温合金的蠕变是通过晶体的滑移、亚晶的形成及晶界的形变来完成的。因此晶界的性质对蠕变的断裂形式有重要的影响。高温下，晶界参与变形，因而是弱化部位。,26,晶界强化措施 合金化： 主要晶界强化元素有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg等，它们的作用主要是降低晶界能量和净化晶界。 B和Zr明显地阻止晶界裂纹的产生，其机理是原子偏析于晶界，填满空位，同时减少晶界扩散。B和Zr不仅在奥氏体晶界上有效，而且在/碳化物和/碳化物界面上也有效。 碱

11、土金属和稀土元素的化学活性高，与氧有很大的亲和力，可以在合金的冶炼过程中起良好的脱氧去气作用，因此显著地改善了合金的晶界结构，起到了晶界的强化作用,27,热处理：晶界颗粒状析出；弯曲（锯齿状）晶界。,高温合金的热处理包括固溶处理和时效处理。固溶处理的作用是将铸态粗大的相颗粒全部或部分固溶，并最大限度的减少( + )共晶的含量；另一作用是减少合金元素的偏析。合金在固溶处理后一般要进行时效处理，从过饱和固溶体中析出更加细小的相，以利提高合金的高温力学性能。,固溶处理组织,固溶+时效处理组织,Ni-base superalloy,28,弯曲（锯齿状）晶界,锯齿状晶界,裂纹终止于晶界析出物,29,冶炼

12、工艺 ：真空冶炼,30,这类合金含铬、镍量相对较高，含弥散强化相形成元素(V、Al、Ti)量相对较少。它的热处理主要形式为“固溶处理”，通过固溶处理可达到强化的目的。在零件需要多次冷压加工时，为消除加工硬化、恢复塑性，也要进行固溶处理。零件焊接后通常进行退火处理以消除内应力。由于铬、镍含量较高，故这类合金抗氧化温度较高，一般可达900以上；但因含弥散强化相形成元素较少，合金中化合物数量较少，故室温强度、高温强度都较低。这类合金固溶处理后的组织为奥氏体，故塑性好，可以冷压成形；由于含碳量少，故焊接性亦好这类合金主要用来制作形状复杂、冷压成型、受力不大，但要求抗氧化能力较高的高温零件，其中最典型的

13、零件是涡轮发动机的燃烧室。,3. 铁基高温合金,(1) 固溶强化型铁基合金 (GH1015、GH1016、GH1035、GH1040、GH1131、GH1140),31,(2) 时效硬化型铁基合金 (GH2018、GH2036、GH2038、GH2130、GH2132、GH2135、GH2136、GH2302),这类合金铬、镍含量相对较低，故抗氧化的温度约800，但是含弥散强化相形成元素(V、Al、Ti)量相对较高，在固溶体基体上可形成化合物强化相，所以常用热处理形式为固溶处理+时效。通过固溶处理，可以使合金固溶强化；通过时效处理，可以使合金析出细小强化相VC、Ni3Al、Ni3Ti，Ni3(

14、AlTi)，从而提高室温和高温强度。固溶并时效处理后的组织为奥氏体+弥散化合物。例如GH2132的化合物量为2.5、GH2135的化合物量为14这类合金通常应用于高温下受力的零件，如涡轮盘、螺栓和工作温度不高的转子叶片等,32,4. 镍基高温合金,高温合金目前主要以Fe、Ni、Co为基。应用最广、用量最大的是镍基高温合金，常用于制造航空发动机的叶片、涡轮盘和燃烧室等。 Ni是面心立方结构，熔点为1454。自腐电位为-0.25V，高于纯Fe的-0.44V，抗蚀性更高。变形镍基高温合金的使用温度最高已达950 ，而铸造镍基耐热合金的使用温度则已高达 1050以上。,33,镍基高温合金主要特点： 高

15、温强度高：镍基高温合金中的强化相数量可高达60-70% (体积百分数)，因而强化效果显著。 组织稳定性高：fcc基体，不易产生有害相， 数量大、且与基体共格性好，性能对尺寸的影响不敏感。 合金化程度高：含有Cr、 Co、Mo、W、B、Zr、Ta、V、Al、Ti等十多种元素。起固溶强化、第二相强化、晶界强化等综合强化作用。 耐蚀性好：耐中性、酸性、碱性、氧化及还原介质的腐蚀。耐高温腐蚀和氧化。 铸造镍基高温合金可进一步提高合金化程度，从而具有更高的高温强度。镍基高温合金的使用温度已接近1100。,34,5. 高温合金的制备工艺,VIM：Vacuum Induction Melting VAR：V

16、acuum Arc Remelting (真空自耗熔炼、真空电弧重熔) ESR：Electric Slag Remelting ODS：Oxide Dispersion Strengthened,35,经预制合金粉压实（热等静压、热压等）热加工变型 热处理等工序，制成成品。与常规法生产相比，可节省大量机加工切削量，成材率高，节约费用。 预制合金粉末的方法有：惰性气体雾化法、旋转电极法等。 粉末高温合金显著提高了室温和中温的强度和疲劳强度。如FGH95合金在650、1030MPa高应力条件下，其持久寿命在2000h以上，持久伸长率在3%以上。粉末高温合金已用于先进型号发动机上的涡轮盘、压气机盘等

17、重要零件上。,(1) 粉末高温合金,36,雾化制粉原理,惰气雾化即通过特殊的喷咀结构引入高速喷射的惰性气流，冲击并剪切己熔融的金属流，使之破碎成细小的金属液滴。继而，液滴在充满惰性气体保护的高大容器内被急剧冷却下来而形成粉末颗粒。该法的缺点是耗能巨大，试验设备要求很高。,37,旋转电极法指将原料合金作为旋转自耗电极，用固定的钨电极产生的电弧或用等离了电弧连续熔化电极，旋转电极端部熔化的金属液滴在离心力作用下飞出，形成细小的球状颗粒，颗粒大小是由电功率参数，电极直径，电极转速等参数决定的。一般电极直径为50-75mm，由于没有坩埚耐火材料的污染，因而粉末的气体含量保持原来合金的水平。 与AA法相

18、比，粉末粒度好，圆整，无空心粉和串状粉，但粒度分布比较窄，细颗粒组分低，同时旋转电极法设备也比氩气雾化复杂。旋转电极法中尤以等离子旋转电极法(Plasma Rotating Electron Pole, PREP法)最具有优点，,38,Argon Atomization 法,39,目前，俄罗斯的镍基高温合金粉末制备主要采用这种工艺。我国也是在先采用氩气雾化制粉工艺的情况下，转而把旋转电极制粉工艺做为高温合金粉末生产的主要方法。对于氩雾化粉末来说，其发展方向就是向无陶瓷和粉末细化方向发展，而对于等离了旋转电极制粉工艺来说，就是通过提高电极转速或电极棒直径来提高细粉收得率。,40,41,(2) 氧

19、化物弥散强化(ODS)高温材料 采用机械方法加入氧化物 Y2O3颗粒，同金属间化合物相共同强化镍基合金。这是粉末冶金中的一种新工艺。Y2O3具有高的热稳定性，能同合金中过剩的氧和合金元素铝生成极稳定的复合氧化物铝酸钇（3Y2O35Al2O3）。 材料的制作工艺是将各种金属及中间合金粉末与 Y2O3粉末按规定比例置于高能球磨机中，在隔绝空气条件下球磨。粉末在高速旋转磨球的挤压下发生变形、冷焊、剥落，历经几十小时，最后得到机械合金化粉末。再将粉末装入包套，在挤压机中加热挤压成材，并通过热轧和定向再结晶热处理，制成成品。成品须经最终固溶处理和时效，以得到相沉淀强化为辅，Y2O3弥散强化为主的高温材料

20、。它综合利用了固溶强化、定向晶粒强化、相沉淀强化和氧化物弥散强化等方式，得到优异的综合强化效果。 目前这种材料广泛应用的障碍是工艺较复杂，成本过高，需要改进制作工艺。,42,(3) 高温合金的铸造技术,按照常规的铸造工艺，精密铸造的高温合金铸件，合金晶粒往往比较粗大，粗大的晶粒固然有较高的耐热强度，但抗疲劳性能下降很多。并目通常伴随着组织不均匀以及较严重的显微偏析，使得抗疲劳性能进一步下降，质量可靠性降低。通过细化晶粒和消除柱状晶结构，可以减小铸件的偏析，改善材料的强度和抗疲劳性能，减少性能数据的分散性。,细晶铸造,43,细晶铸造的方法通常分为3大类：热控法、振动法和化学法。 热控法被认为是最

21、简单实用的细晶技术，它是通过降低合金的浇注温度，增大合金凝固期间的金属过冷度使结晶核心增多，并缩短合金凝固时间限制晶粒长大来获得细晶铸件。 化学法是通过加入孕育剂，增加外来结晶核心来使铸件晶粒细化。对于高温合金铸件来说，它是通过将细化剂(通常为金属间化合物或硼化物)直接加入到合金液内而使晶粒细化。由于高温合金铸件的熔炼浇注都在真空炉内进行，因此不太容易控制细化剂的加入工艺，且化学法细晶工艺还需依赖于较低的浇注温度。不同牌号的合金需要不同的细化剂，应用受到了限制。尤其严重的是细化剂的加入容易带进外来夹杂，它是铸件疲劳裂纹的根源。,44,美国的Howmet公司细晶铸造工艺Microcast是采用机械搅动和快速凝固相结合获得细小的晶胞组织，性能可与高温合金的锻件相媲美; 美国P.C.C公司从顺序凝固技术发展起来了一种热控凝固(TCS)技术，它使得铸件的凝固界面顺序推进，从而使所浇铸件获得致密的组织。,45,北京航空材料研究院于20世纪90年代末，研究成功了高温合金整体叶轮铸型搅动细晶铸造工艺，它是通过铸型的正反旋转搅动细化叶轮轮盘的晶粒。,46,双性能整体叶轮铸造技术,定向柱晶组织在高温下具有好的持久和蠕变性能，细晶粒组织在中低温下具有好的拉伸性能和低周疲劳性能。而叶轮上的叶片工作在高温区，轮盘则工作于中低温区。因此，如果能将叶轮的叶片铸造成平行于叶片进气边和排气边的定向柱