高温合金63907.doc

1、高温合金 科技名词定义中文名称：高温合金 英文名称：superalloy 定义：指在 650C 以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。目前常是镍基、铁基、钴基高温合金的统称。 所属学科： 航空科技（一级学科） ；航空材料（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片高温合金在 600-1200高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。 目录隐藏简介 发展 提高强度 制造工艺 发展趋势 技术开发 物质应用简介 发展 提高强度 制造工艺 发展趋势 技术开发 物质应用编 辑 本 段 简 介按 基 体 元 素 主 要 可 分 为 铁 基 高 温 合 金 、

2、 镍 基 高 温 合 金 和 钴 基 高 温 合 金 。 按 制 备 工 艺 可 分 为变 形 高 温 高 温 合 金合 金 、 铸 造 高 温 合 金 和 粉 末 冶 金 高 温 合 金 。 按 强 化 方 式 有 固 溶 强 化 型 、 沉 淀 强 化 型 、 氧 化 物弥 散 强 化 型 和 纤 维 强 化 型 等 。 高 温 合 金 主 要 用 于 制 造 航 空 、 舰 艇 和 工 业 用 燃 气 轮 机 的 涡 轮 叶 片、 导 向 叶 片 、 涡 轮 盘 、 高 压 压 气 机 盘 和 燃 烧 室 等 高 温 部 件 ， 还 用 于 制 造 航 天 飞 行 器 、 火 箭 发动

3、机 、 核 反 应 堆 、 石 油 化 工 设 备 以 及 煤 的 转 化 等 能 源 转 换 装 置 。 编 辑 本 段 发 展发 展 过 程 从 20 世 纪 30 年 代 后 期 起 ， 英 、 德 、 美 等 国 就 开 始 研 究 高 温 合 金 。 第 二 次 世 界 大战 期 间 ， 为 了 满 足 新 型 航 空 发 动 机 的 需 要 ， 高 温 合 金 的 研 究 和 使 用 进 入 了 蓬 勃 发 展 时 期 。 40年 代 初 ， 英 国 首 先 在 80Ni-20Cr 合 金 中 加 入 少 量 铝 和 钛 ， 形 成 相 以 进 行 强 化 ， 研 制 成 第 一

4、种具 有 较 高 的 高 温 强 度 的 镍 基 合 金 。 同 一 时 期 ， 美 国 为 了 适 应 活 塞 式 航 空 发 动 机 用 涡 轮 增 压 器 发 展的 需 要 ， 开 始 用 Vitallium 钴 基 合 金 制 作 叶 片 。 此 外 ， 美 国 还 研 制 出 Inconel 镍 基 合 金 ， 用 以 制 作 喷 气 发 动 机 的 燃 烧 室 。 以 后 ， 冶 金 学 家为 进 一 步 提 高 合 金 的 高 温 强 度 ， 在 镍 基 合 金 中 加 入 钨 、 钼 、 钴 等 元 素 ， 增 加 铝 、 钛 含 量 ， 研制 出 一 系 列 牌 号 的 合

5、金 ， 如 英 国 的 “Nimonic”， 美 国 的 “Mar-M”和 “IN”等 ； 在 钴 基 合 金 中 ,加 入镍 、 钨 等 高 温 合 金元 素 ， 发 展 出 多 种 高 温 合 金 ， 如 X-45、 HA-188、 FSX-414 等 。 由 于 钴 资 源 缺 乏 ， 钴 基 高 温 合金 发 展 受 到 限 制 。 40 年 代 ， 铁 基 高 温 合 金 也 得 到 了 发 展 ， 50 年 代 出 现 A-286 和 Incoloy901 等 牌 号 ， 但 因高 温 稳 定 性 较 差 ， 从 60 年 代 以 来 发 展 较 慢 。 苏 联 于 1950 年

6、前 后 开 始 生 产 “”牌 号 的 镍 基 高温 合 金 ， 后 来 生 产 “”系 列 变 形 高 温 合 金 和 系 列 铸 造 高 温 合 金 。 中 国 从 1956 年 开 始 试制 高 温 合 金 ， 逐 渐 形 成 “GH”系 列 的 变 形 高 温 合 金 和 “K”系 列 的 铸 造 高 温 合 金 。 70 年 代 美 国 还 采用 新 的 生 产 工 艺 制 造 出 定 向 结 晶 叶 片 和 粉 末 冶 金 涡 轮 盘 ， 研 制 出 单 晶 叶 片 等 高 温 合 金 部 件 ， 以适 应 航 空 发 动 机 涡 轮 进 口 温 度 不 断 提 高 的 需 要 。

7、 北 京 融 品 科 技 有 限 公 司 提 供 高 温 合 金 锻 件 产品 编 辑 本 段 提 高 强 度固 溶 强 化加 入 与 基 体 金 属 原 子 尺 寸 不 同 的 元 素 (铬 、 钨 、 钼 等 )引 起 基 体 金 属 点 阵 的 畸 变 高 温 合 金， 加 入 能 降 低 合 金 基 体 堆 垛 层 错 能 的 元 素 （ 如 钴 ） 和 加 入 能 减 缓 基 体 元 素 扩 散 速 率 的 元 素 （钨 、 钼 等 ） ， 以 强 化 基 体 。 沉 淀 强 化通 过 时 效 处 理 ， 从 过 饱 和 固 溶 体 中 析 出 第 二 相 （ 、 “、 碳 化 物

8、等 ） ， 以 强 化 合 金 。 相与 基 体 相 同 ， 均 为 面 心 立 方 结 构 ， 点 阵 常 数 与 基 体 相 近 ， 并 与 晶 体 共 格 ， 因 此 相 在 基 体 中能 呈 细 小 颗 粒 状 均 匀 析 出 ， 阻 碍 位 错 运 动 ， 而 产 生 显 著 的 强 化 作 用 。 相 是 A3B 型 金 属 间 化合 物 ， A 代 表 镍 、 钴 ， B 代 表 铝 、 钛 、 铌 、 钽 、 钒 、 钨 ， 而 铬 、 钼 、 铁 既 可 为 A 又 可 为 B。镍 基 合 金 中 典 型 的 相 为 Ni3(Al,Ti)。 相 的 强 化 效 应 可 通 过

9、 以 下 途 径 得 到 加 强 ： 增 加 相 的 数 量 ； 使 相 与 基 体 有 适 宜 的 错 配 度 ， 以 获 得 共 格 畸 变 的 强 化 效 应 ； 加 入 铌 、 钽 等 元 素 增 大 相 的 反 相 畴 界 能 ， 以 提 高 其 抵 抗 位 错 切 割 的 能 高 温 合 金力 ； 加 入 钴 、 钨 、 钼 等 元 素 提 高 相 的 强 度 。 “相 为 体 心 四 方 结 构 ， 其 组 成 为 Ni3Nb。 因 “相 与 基 体 的 错 配 度 较 大 ,能 引 起 较 大 程 度 的 共 格 畸 变 ， 使 合 金 获 得 很 高 的 屈 服 强 度 。

10、但 超 过 700 ， 强 化 效 应 便 明 显 降 低 。 钴 基 高 温 合 金 一 般 不 含 相 ， 而 用 碳 化 物 强 化 。 晶 界 强 化在 高 温 下 ， 合 金 的 晶 界 是 薄 弱 环 节 ， 加 入 微 量 的 硼 、 锆 和 稀 土 元 素 可 改 善 晶 界 强 度 。 这 是因 为 稀 土 元 素 能 净 化 晶 界 ， 硼 、 锆 原 子 能 填 充 晶 界 空 位 ， 降 低 蠕 变 过 程 中 晶 界 扩 散 速 率 ， 抑 制 晶界 碳 化 物 的 集 聚 和 促 进 晶 界 第 二 相 球 化 。 另 外 ， 铸 造 合 金 中 加 适 量 的 铪

11、 ， 也 能 改 善 晶 界 的 强 度 和塑 性 。 还 可 通 过 热 处 理 在 晶 界 形 成 链 状 分 布 的 碳 化 物 或 造 成 弯 曲 晶 界 ， 提 高 塑 性 和 强 度 。 氧 化 物 弥 散 强 化通 过 粉 末 冶 金 方 法 ， 在 合 金 中 加 入 高 温 下 仍 保 持 稳 定 的 细 小 氧 化 物 ， 呈 弥 散 分 布 状 高 温 合 金态 ， 从 而 获 得 显 著 的 强 化 效 应 。 通 常 加 入 的 氧 化 物 有 ThO2 和 Y2O3 等 。 这 些 氧 化 物 是 通 过 阻碍 位 错 运 动 和 稳 定 位 错 亚 结 构 等 因

12、 素 而 使 合 金 得 到 强 化 的 。 编 辑 本 段 制 造 工 艺不 含 或 少 含 铝 、 钛 的 高 温 合 金 ， 一 般 采 用 电 弧 炉 或 非 真 空 感 应 炉 冶 炼 。 含 铝 、 钛 高 的 高 温 合金 如 在 大 气 中 熔 炼 时 ， 元 素 烧 损 不 易 控 制 ， 气 体 和 夹 杂 物 进 入 较 多 ， 所 以 应 采 用 真 空 冶 炼 。 为 了进 一 步 降 低 夹 杂 物 的 含 量 ， 改 善 夹 杂 物 的 分 布 状 态 和 铸 锭 的 结 晶 组 织 ， 可 采 用 冶 炼 和 二 次 重 熔 相结 合 的 双 联 工 艺 。 冶

13、 炼 的 主 要 手 段 有 电 弧 炉 、 真 空 感 应 炉 和 非 真 空 感 应 炉 ； 重 熔 的 主 要 手 段 有 真空 自 耗 炉 和 电 渣 炉 。 高 温 合 金固 溶 强 化 型 合 金 和 含 铝 、 钛 低 （ 铝 和 钛 的 总 量 约 小 于 4.5 ） 的 合 金 锭 可 采 用 锻 造 开 坯 ；含 铝 、 钛 高 的 合 金 一 般 要 采 用 挤 压 或 轧 制 开 坯 ， 然 后 热 轧 成 材 ， 有 些 产 品 需 进 一 步 冷 轧 或 冷 拔 。直 径 较 大 的 合 金 锭 或 饼 材 需 用 水 压 机 或 快 锻 液 压 机 锻 造 。 合

14、 金 化 程 度 较 高 、 不 易 变 形 的 合 金 ， 目 前 广 泛 采 用 精 密 铸 造 成 型 ， 例 如 铸 造 涡 轮 叶 片 和 导 向叶 片 。 为 了 减 少 或 消 除 铸 造 合 金 中 垂 直 于 应 力 轴 的 晶 界 和 减 少 或 消 除 疏 松 ， 近 年 来 又 发 展 出 定 向结 晶 工 艺 。 这 种 工 艺 是 在 合 金 凝 固 过 程 中 使 晶 粒 沿 一 个 结 晶 方 向 生 长 ， 以 得 到 无 横 向 晶 界 的 平 行柱 状 晶 。 实 现 定 向 结 晶 的 首 要 工 艺 条 件 是 在 液 相 线 和 固 相 线 之 间

15、建 立 并 保 持 足 够 大 的 轴 向 温 度 梯度 和 良 好 的 轴 向 散 热 条 件 。 此 外 ， 为 了 消 除 全 部 晶 界 ， 还 需 研 究 单 晶 叶 片 的 制 造 工 艺 。 粉 末 冶 金 工 艺 ， 主 要 用 以 生 产 沉 淀 强 化 型 和 氧 化 物 弥 散 强 化 型 高 温 合 金 。 这 种 工 艺 可 使 一 般不 能 变 形 的 铸 造 高 温 合 金 获 得 可 塑 性 甚 至 超 塑 性 。 综 合 处 理 高 温 合 金 的 性 能 同 合 金 的 组 织 有 密 切 关 系 ， 而 组 织 是 受 金 属 热 处 理 控 制 的 。

16、高 温 合金 一 般 需 经 过 热 处 理 。 沉 淀 强 化 型 合 金 通 常 经 过 固 溶 处 理 和 时 效 处 理 。 固 溶 强 化 型 合 金 只 经 过 固溶 处 理 。 有 些 合 金 在 时 效 处 理 前 还 要 经 过 一 两 次 中 间 处 理 。 固 溶 处 理 首 先 是 为 了 使 第 二 相 溶 入 合金 基 体 ， 以 高 温 合 金便 在 时 效 处 理 时 使 、 碳 化 物 （ 钴 基 合 金 ） 等 强 化 相 均 匀 析 出 ， 其 次 是 为 了 获 得 适 宜 的 晶 粒 度 以保 证 高 温 蠕 变 和 持 久 性 能 。 固 溶 处 理

17、 温 度 一 般 为 1040 1220 。 目 前 广 泛 应 用 的 合 金 ， 在 时 效 处 理 前 多 经 过 1050 1100 中 间 处 理 。 中 间 处 理 的 主 要 作 用 是 在 晶 界 析 出 碳 化 物 和 膜 以 改 善 晶 界 状 态 ， 与 此同 时 有 的 合 金 还 析 出 一 些 颗 粒 较 大 的 相 与 时 效 处 理 时 析 出 的 细 小 相 形 成 合 理 搭 配 。 时 效 处理 的 目 的 是 使 过 饱 和 固 溶 体 均 匀 析 出 相 或 碳 化 物 (钴 基 合 金 )以 提 高 高 温 强 度 ， 时 效 处 理 温 度一 般

18、为 700 1000 。 编 辑 本 段 发 展 趋 势高 温 合 金 发 展 的 趋 势 是 进 一 步 提 高 合 金 的 工 作 温 度 和 改 善 中 温 或 高 温 下 承 受 各 种 载 荷 的 能 力， 延 长 合 金 寿 命 。 就 涡 轮 叶 片 材 料 而 言 ， 单 晶 叶 片 将 进 入 实 用 阶 段 ， 定 向 结 晶 叶 片 的 综 合 性 能 将得 到 改 进 。 此 外 ， 有 可 能 采 用 激 冷 态 合 金 粉 末 制 造 多 层 扩 散 连 接 的 空 心 叶 片 ， 从 而 适 应 提 高 燃 气 温 度 的需 要 。 就 导 向 叶 片 和 燃 烧

19、 室 材 料 而 言 ， 有 可 能 使 用 氧 化 物 弥 散 强 化 的 合 金 ， 以 大 幅 度 提 高 使 用温 度 。 为 了 提 高 抗 腐 蚀 和 耐 磨 蚀 性 能 ， 合 金 的 防 护 涂 层 材 料 和 工 艺 也 将 获 得 进 一 步 发 展 。 编 辑 本 段 技 术 开 发高 梯 度 定 向 凝 固 共 晶 高 温 合 金 的 组 织 与 性 能 K4169 高 温 合 金 组 织 细 化 及 性 能 优 化 研 究 高 温 合 金铸 造 镍 基 高 温 合 金 中 Ni_5Zr 的 溶 解 和 转 变 定 向 工 艺 和 铪 含 量 对 一 种 镍 基 高 温

20、 合 金 的 影 响 Mg 在 高 温 合 金 GH220 中 的 作 用 GH2027 铁 基 高 温 合 金 的 第 二 相 研 究 Ni_3Al 基 高 温 合 金 添 加 碳 化 物 质 点 的 探 索 研 究 MC 和 M_3B_2 相 在 一 种 Ni-Cr-Co 高 温 合 金 中 的 析 出 镍 基 高 温 合 金 GH4145/SQ 的 高 温 低 周 疲 劳 行 为 变 形 高 温 合 金 成 型 质 量 控 制 中 的 转 换 研 究 高 梯 度 定 向 凝 固 共 晶 高 温 合 金 的 组 高 温 合 金织 与 性 能 K4169 高 温 合 金 组 织 细 化 及

21、性 能 优 化 研 究 铸 造 镍 基 高 温 合 金 中 Ni_5Zr 的 溶 解 和 转 变 定 向 工 艺 和 铪 含 量 对 一 种 镍 基 高 温 合 金 的 影 响 Mg 在 高 温 合 金 GH220 中 的 作 用 FGH95 粉 末 高 温 合 金 应 力 时 效 的 组 织 和 相 分 析 Rene88DT 粉 末 高 温 合 金 组 织 及 相 析 出 动 力 学 研 究 镍 基 粉 末 高 温 合 金 中 夹 杂 物 导 致 裂 纹 萌 生 和 扩 展 行 为 的 研 究 镍 基 粉 末 高 温 合 金 中 夹 杂 物 的 微 观 力 学 行 为 研 究 粉 末 高 温

22、 合 金 的 研 究 与 发 展 编 辑 本 段 物 质 应 用高 温 合 金 是 指 以 铁 、 镍 、 钴 为 基 ， 能 在 600 以 上 的 高 温 及 一 定 应 力 作 用 下 长 期 工 作 的 一类 金 属 材 料 ； 并 具 有 较 高 的 高 温 强 度 ， 良 好 的 抗 氧 化 和 抗 腐 蚀 性 能 ， 良 好 的 疲 劳 性 能 、 断 裂 韧 性等 综 合 性 能 。 高 温 合 金 为 单 一 奥 氏 体 组 织 ， 在 各 种 温 度 下 具 有 良 好 的 组 织 稳 定 性 和 使 用 可 靠 性 ， 高 温 合 金 产 品 图 片 融 品 科 技 提

23、供基 于 上 述 性 能 特 点 ， 且 高 温 合 金 的 合 金 化 程 度 较 高 ， 又 被 称 为 “超 合 金 ”， 是 广 泛 应 用 于 航 空 、航 天 、 石 油 、 化 工 、 舰 船 的 一 种 重 要 材 料 。 按 基 体 元 素 来 分 ， 高 温 合 金 又 分 为 铁 基 、 镍 基 、 钴基 等 高 温 合 金 。 铁 基 高 温 合 金 使 用 温 度 一 般 只 能 达 到 750780 ， 对 于 在 更 高 温 度 下 使 用 的 耐热 部 件 ， 则 采 用 镍 基 和 难 熔 金 属 为 基 的 合 金 。 镍 基 高 温 合 金 在 整 个 高

24、 温 合 金 领 域 占 有 特 殊 重要 的 地 位 ， 它 广 泛 地 用 来 制 造 航 空 喷 气 发 动 机 、 各 种 工 业 燃 气 轮 机 最 热 端 部 件 。 若 以 150MPA-100H 持 久 强 度 为 标 准 ， 而 目 前 镍 合 金 所 能 承 受 的 最 高 温 度 1100 ， 而 镍 合 金 约 为 950， 铁 基 的 合 金 850 ,即 镍 基 合 金 相 应 地 高 出 150 至 250 左 右 。 所 以 人 们 称 镍 合 金 为 发 动机 的 心 脏 。 目 前 ， 在 先 进 的 发 动 机 上 ， 镍 合 金 已 占 总 重 量 的

25、一 半 ， 不 仅 涡 轮 叶 片 及 燃 烧 室 ， 而 且涡 轮 盘 甚 至 后 几 级 压 气 机 叶 片 也 开 始 使 用 镍 合 金 。 与 铁 合 金 相 比 ， 镍 合 金 的 优 点 是 ： 工 作 温 度 较高 ， 组 织 稳 定 、 有 害 相 少 及 搞 氧 化 搞 腐 蚀 能 力 大 。 与 钴 合 金 相 比 ， 镍 合 金 能 在 较 高 温 度 与 应 力 下工 作 ， 尤 其 是 在 动 叶 片 场 合 。 镍 合 金 具 有 上 述 优 点 与 其 本 身 的 某 些 卓 越 性 能 有 关 。 镍 为 面 心 立 方 体 ， 组 织 非 常 高 温 合 金

26、 生 产 用 关 键 设 备 真 空 炉稳 定 ， 从 室 温 到 高 温 不 发 生 同 素 异 型 转 变 ； 这 对 选 作 基 体 材 料 十 分 重 要 。 众 所 周 知 ， 奥 氏 体 组 织比 铁 素 体 组 织 具 有 一 系 列 的 优 点 。 镍 具 有 高 的 化 学 稳 定 性 ， 在 500 度 以 下 几 乎 不 发 生 氧 化 ， 学 温 下 也 不 受 温 气 、 水 及 某 些 盐类 水 溶 液 的 作 用 。 镍 在 硫 酸 及 盐 酸 中 溶 解 很 慢 ， 而 在 硝 酸 中 溶 解 很 快 。 镍 具 有 很 大 的 合 金 能 力 ， 甚 至 添 加 十 余 种 合 金 元 素 也 不 出 现 有 害 相 ， 这 就 为 改 善 镍 的 各 种 性能 提 供 潜 在 的 可 能 性 。 纯 镍 的 力 学 性 能 虽 不 强 ， 但 塑 性 却 极 好 ， 尤 其 是 低 温 下 塑 性 变 化 不 大 。