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高温合金管是一种合金管,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。
高温合金分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料,抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
按照现有的理论,760℃高温材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、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 、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、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
分类
超耐热合金典型组织是奥氏体基体,在基体上弥散分布这碳化物、金属间化合物等强化相。高温合金的主要元素有铬、钴、铝、钛、镍、钼、钨等。合金元素起稳定的奥氏体基体组织,形成强化相,增加合金的抗氧化和抗腐蚀能力的作用。常用的高温合金有铁基、镍基和钴基3种。
高温合金管发展
从20世纪30年代后期起,英、德、美等国就开始研究高温合金。二战期间,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γ┡相以进行强化,研制成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年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金,后来生产“ЭП”系列变形高温合金和“ЖС”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 ,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。
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发展历史:高温合金管按照基体的不同,分为:铁基高温合金,镍基高温合金与钴基高温合金。
镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。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。
高温合金管按基体元素主要可分为铁基高温合金、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合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。
铸造高温合金管显徽组织特征:铸造高温合金显微组织(见高温合金材料显微组织)中,除γ’ 相外,还有γ- γ’ 共晶相,一次碳化物相也比较多,沿着树枝晶间分布,有些合金还有M3B2硼化物析出。铸造高温合金热处理工艺比较简单,有些甚至不需要进行热处理就可以使用。
零件生产 铸造高温合金一般在大型真空感应炉中冶炼母合金,用失蜡精密造型法制造 壳型,然后在小型真空感应炉中重熔浇注成零件。
缺陷及 铸造件中不可避免会产生一些显微疏松,可采用热等静压处理使之减轻或,增加零件的可靠性。铸造高温合金零件的晶粒度比较大,对疲劳性能不利。通常采用表面晶粒细化法来获得零件表层的细晶。
发展方向 运用定向凝固技术可生产无横向晶界的柱状晶叶片或完全晶界的单晶叶片,使高温疲劳寿命和持久强度都有成倍提高,这是当前铸造高温合金的发展方向。
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