1、航空航天镍基高温合金的研究现状1 万艳松 2 鞠祖强 南昌航空大学航空制造工程学院 10032129 万艳松南昌航空大学航空制造工程学院 10032121 鞠祖强摘要简单介绍了镍基高温合金的发展历程，综述了近年来镍基高温合金的研究进展，并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。关键字：镍基 高温合金 性能 发展现状1.引言高温合金是一种能够在 600以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，而镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于 50%) 在 6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。2.镍基高温合金发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金 )是 30 年代后期开
2、始研制的。英国于 1941 年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出 Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于 40 年代中期，苏联于 40 年代后期，中国于 50 年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50 年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50 年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系
3、列具有良好高温强度的铸造合金。60 年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60 年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从 40 年代初到 70 年代末大约 40 年的时间内，镍基合金的工作温度从 700提高到 1100，平均每年提高 10左右。3.镍基高温合金成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的 A3B 型金属间化合物Ni3(Al，Ti)相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁
4、基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中 Cr 主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。 镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。 固溶强化型合金 具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大(每平方毫米几公斤力，见表 1)的部件，如燃气轮机的燃烧室。 沉淀强
5、化型合金 通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高(每平方毫米十几公斤力以上，见表 2) 的部件，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等(图 2)。 燃气轮机涡轮零件4.镍基高温合金组织 镍基合金的显微组织特点及其发展情况见图 3，合金中除奥氏体基体外，还有在基体中弭散分布的相，在晶界上的二次碳化物和在凝固时析出的一次碳化物和硼化物等。随着合金化程度的提高，其显微组织的变化有如下趋势：相数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，并由球状变成立方体，同一合金中出现尺寸和形态不相同的 相。在铸造合金中还出现在凝固过程
6、中形成的 +共晶，晶界析出不连续的颗粒状碳化物并被 相薄膜所包围，组织的这些变化改善了合金的性能。 图 3 镍基高温合金的组织和性能的发展现代镍基合金的化学成分十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素(尤其是主要强化元素)的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出有害相，如 、 相(图 4)，损害合金的强度和韧性。在镍基铸造高温合金中发展出了定向结晶涡轮叶片和单晶涡轮叶片(图 5)。 图 4 镍基高温合金中的 相(针状相)定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相
7、对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。 图 5 镍基铸造高温合金的宏观组织和蠕变性能 a.常规铸造等轴晶、b. 定向结晶柱状晶 c.单晶5.镍基高温合金生产工艺 镍基合金，特别是沉淀强化型合金含有较高的铝、钛等合金元素。通常采用真空感应炉熔炼，并经真空自耗炉或电渣炉重熔。热加工采用锻造、轧制工艺，对于高合金化合金，由于热塑性差，则采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。铸造合金通常用真空感应炉熔炼母合金，并用真空重熔 -精密铸造法制成零件。 变形合金和部分铸造合金需进行热处理，包括固溶处理、中间处理和时效处理，以 Udmet 500 合金为例，它的热处
8、理制度分为四段：固溶处理，1175，2 小时，空冷；中间处理，1080，4 小时，空冷；一次时效处理，843，24 小时，空冷；二次时效处理， 760，16 小时，空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。6 镍基高温合金的研究现状 镍基高温合金的应用由于在航空航天发动机中，工作条件是高温，应力作用复杂，对材料的要求苛刻；而镍基高温合金具有足够高的耐热强度，良好的塑性，抗高温氧化和燃气腐蚀的能力以及长期组织稳定性，因此镍基高温合金主要应用于制造涡轮发动机热端部件和航空火箭发动机各种高温部件。在航空涡轮发动机上，镍基高温合金主要应用在燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘；在航天火箭发动机上，主
9、要应用在涡轮盘，此外还有发动机轴、燃烧室隔板、涡轮进气导管以及喷灌等。随着我国工业化建设的发展，镍基高温合金也逐渐应用在民用工业的能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等部门。目前，镍基高温合金主要应用在柴油机和内燃机用增压涡轮、工业燃气轮机、内燃机阀座、转向辊等。 镍基高温合金的发展趋势从用途和发展的角度分析，镍基高温合金的发展趋势必向高强度、抗热腐蚀性、密度小的方向发展。（）追求高强度。通过添加适量的、，保证 强化相的数量；加入大量的、等难熔金属元素，也是提高强度的有效途径。但是为了维持良好的组织稳定性，不析出、 等有害相，而在新一代合金中通过加入来提高合金的组织稳定性。（）发展
10、抗热腐蚀性能优越的单晶合金。通过添加适量的、等难熔金属，保证高的含量。（）发展密度小的单晶合金。从航空发动机设计的角度考虑，密度大的合金难有作为，特别是对动叶片，在非常大的离心力下是不适合的。为此，要发展密度小的单晶高温合金，如、 等，其中的单晶合金实际上是在（）合金基础上发展的，密度为。7 结语从镍基高温合金的特点和用途出发，镍基高温合金的发展势在必行，镍基高温合金是航空工业中使用的重要金属材料，随着要求材料长期服役的飞机发动机和满足高峰负荷发电要求的工业燃气轮机的出现，使用的材料要具有抗疲劳、抗热疲劳、热膨胀系数低、弹性模量高以及密度小的综合性能。因此，研制具有更高承温能力和耐腐蚀性能的高温合金，对我国航空工业的发展具有重要意义。参考文献1 黄乾尧，李汉康，高温合金【M】,北京：冶金工业出版社，20002 王立鹏，王万波，冯强，等，高 Ru 和高 Cr 对镍基高温合金组织稳定性的影响【J】，北京科技大学学报，2008，30 （12）；13623 谢锡善，董建新，胡尧和，等，铁镍基高温耐蚀合金的研究与发展【J】，世界钢铁，2009（1）：504 赵越;杨功显;袁超;郭建亭;刘常升 ;铸造镍基高温合金 K447 的高温氧化行为J; 腐蚀科学与防护技术;2007 年 01 期
