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高温合金管是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金,
在-253~700℃温度范围内具有良好的综合性能,650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能,以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性,能够制造各种形状复杂的零部件,在宇航、核能、石油工业中,在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。
该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感,掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能间的相互关系,可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程,就能获得可满足不同强度级别和使用要求的各种零件。供应的品种有锻件、锻棒、轧棒、冷轧棒、板、带、丝、管等。可制成盘、环、叶片、轴、紧固件和弹性元件、板材结构件、机匣等零部件在航空上长期使用。
应用概况
制造航空和航天发动机中的各种静止件和转动件,
如盘、环件、机匣、轴、叶片、紧固件、弹性元件、燃气导管、密封元件等和焊接结构件;
制造核能工业应用的各种弹性元件和格架;制造石油和化工领域应用的零件及其他零件。
高温合金管成分和性能:镍基合金是高温合金管中应用广、高温强度高的一类合金。
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γ"[Ni3(Al,Ti)]相作为强化相,使合金得到有效的强化,获得比铁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yang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yang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yang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)的部件,如燃气轮机的燃烧室
沉淀强化型合金,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pi劳性能、抗yang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的部件,如燃气轮机的涡轮叶片等。
高温合金发展趋势
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。
发展至今,国际市场每年高温金属合金消费量在30万吨,广泛应用于各个领域:过去多年,全球航天业对新能源飞机需求旺盛,空客与波音已有超万架此类飞机等待交付。而精密机件公司是全球高温合金复杂金属零部件和产品制造的龙头企业,也为航空航天、化学加工、石油和天然气的冶炼以及污染的防治等行业提供所需的镍钴等高温合金。精密机件公司就是波音、空客、劳斯莱斯、庞巴迪等军工航天企业的指定零配件制造商。
高温合金管应具有高的蠕变强度和持久强度(见蠕变)、良好的抗热疲劳和机械疲劳性能(见疲劳)、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能以及组织稳定,其中以蠕变强度和持久强度为重要。提高高温合金强度的途径有:
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,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(γ┡、γ"、碳化物等),以强化合金(见合金相)。γ┡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γ┡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。
晶界强化 在高温下,合金的晶界是薄弱环节(见界面),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,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素而使合金得到强化的。
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