镍基高温合金类别(镍基高温合金的发展过程)

镍基高温合金类别

一、变形高温合金

变形高温合金是指工作温度范围内的热冷变形加工-253~1320℃,一种机械性能好、韧性指标全面、抗氧化、耐腐蚀性高的合金。根据其热处理工艺,可分为固溶强化合金和及时强化合金。


1、固溶强化合金

900~1300℃,最高抗氧化温度达到1320℃。例如GH128合金,室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa;1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时,延伸率为40固溶合金,一般用于制造航空、航天发动机燃烧室、机箱等部件。

2、时效强化合金

使用温度为-253~950℃,涡轮盘和叶片通常用于制造航空和航天发动机。涡轮盘的合金工作温度为-253~700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性。 例如:GH4169合金,在650℃最高屈服强度达到1000MPa;制作叶片的合金温度可达950℃,例如:GH220合金,950℃拉伸强度为490MPa,940℃、200MPa持久寿命超过40小时。

变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、蛋糕、环、棒、板、管、带、丝。

二、铸造高温合金

铸造高温合金是指一种可以或只能通过铸造成型零件的高温合金。其主要特点是:

1. 成分范围更广。 由于不需要考虑其变形加工性能,合金的设计可以考虑优化其使用性能。例如,对于镍基高温合金,可以通过调整成分来制造γ含量高达60,因此合金在高达85合金熔点的温度下仍能保持良好的性能。

2. 具有更广泛的应用领域 由于铸造方法的特殊优点,可根据零件的使用需要设计和制造任何复杂结构和形状的高温合金铸件。

根据铸造合金的使用温度,可分为以下三类:

第一类:在-253~650℃使用的等轴晶铸造高温合金 这种合金在很大范围内具有良好的综合性能,特别是在低温下,可以保持强度和塑性不会下降。例如,在航空和航天发动机上的大量使用K4169合金,其650℃拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15650℃,620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制造航空发动机中的扩压器机箱和航空发动机中各种泵的复杂结构件。

第二类:650~950 ℃使用的等轴晶铸造高温合金 这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金,950℃拉伸强度大于时700MPa、拉伸塑性大于6950℃,200小时的持久强度极限大于230MPa。适用于航空发动机涡轮叶片、导向叶片和整铸涡轮。

第三类: 950~1100℃定向凝固柱晶和单晶高温合金 这种合金在这个温度范围内具有优异的综合性能、抗氧化性和耐热性。DD402单晶合金,1100℃、130MPa持久寿命超过100小时。这是中国使用温度最高的涡轮叶片材料,适用于制造新型高性能发动机的一级涡轮叶片。

随着精密铸造技术的不断提高,新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术和复杂的薄壁结构CA铸造高温合金水平大大提高,应用范围不断提高。

三、粉末冶金高温合金

高温合金粉末产品采用雾化高温合金粉末,经热等静压成型或热等静压后锻造而成。采用粉末冶金工艺,由于粉末颗粒小,冷却速度快,成分均匀,无宏观分析,晶粒小,热加工性能好,金属利用率高,成本低,特别是合金的屈服强度和疲劳性能大大提高。

FGH95粉末冶金高温合金,650℃拉伸强度1500MPa;1034MPa应力下持久寿命大于50小时,是当前在650℃粉末冶金高温合金是工作条件下强度水平最高的盘件。粉末冶金高温合金能满足高应力发动机的使用要求,是高推重比发动机涡轮盘、压缩机盘、涡轮挡板等高温部件的选择材料。

四、氧化物弥散强化(ODS)合金

采用独特的机械合金化(MA)工艺,超细(小于)50nm)它是一种特殊的高温合金,具有超稳定的氧化物弥散强化,均匀分散在合金基体中。其合金强度在接近合金本身熔点的情况下仍能维持,具有优异的高温蠕变性能、优异的高温抗氧化性能、耐碳、硫腐蚀性能。

商业生产主要有三种ODS合金:

MA956在氧化气氛合金的使用温度可达1350℃,高温合金抗氧化、耐碳、硫腐蚀第一。可用于航空发动机燃烧室内衬。

MA754在氧化气氛合金的使用温度可达1250℃并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器环和导向叶片。

MA6000合金 在1100℃拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa;1100℃,1000小时持久强度为127MPa,第一种高温合金可用于航空发动机叶片。

五、金属间化合物高温材料

金属间化合物高温材料是一种具有重要应用前景的轻比例高温材料。十多年来,金属间化合物的基础研究、合金设计、工艺开发和应用研究已经成熟,特别是在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al在制备加工技术、韧化和强化、力学性能和应用研究方面取得了显著成绩。

Ti3Al基合金(TAC-1),TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb低密度基合金(3.8~5.8g/cm3)、高温高强度、高钢、优异的抗氧化、抗蠕变等优点,可使结构件减重35~50 Ni3Al基合金,MX-246具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和耐腐蚀性,具有良好的应用前景。Fe3Al基合金在中温下具有良好的抗氧化耐磨性(小于)600℃)强度高,成本低,是一种可部分替代不锈钢的新材料。

镍基高温合金的发展过程

镍基高温合金(以下简称镍基合金)于20世纪30年代末开发。1941年,英国首次生产镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);为了提高蠕变强度和添加铝,开发了Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。20世纪40年代中期,苏联在20世纪40年代末开发了镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面:合金成分的改进和生产过程的创新。20世纪50年代初,真空熔炼技术的发展为含有高铝和钛的镍基合金的炼制创造了条件。早期的镍基合金大多是变形合金。20世纪50年代末,由于涡轮叶片工作温度的提高,合金需要更高的高温强度,但合金强度高,难以变形,甚至不能变形,因此采用熔体模具精密铸造工艺,开发了一系列具有良好高温强度的铸造合金。20世纪60年代中期开发了更好的定向结晶、单晶高温合金和粉末冶金高温合金。为了满足船舶和工业燃气轮机的需要,自20世纪60年代以来,开发了一批耐热腐蚀性好、组织稳定的高铬镍基合金。从20世纪40年代初到70年代末,镍基合金的工作温度从 开始700℃提高到1100℃,平均每年都在增加10℃左右。镍基高温合金的发展趋势见图1。镍基高温合金的发展趋势