航空航天鎳基高溫合金的研究現(xiàn)狀

1萬(wàn)艷松 2鞠祖強(qiáng)

南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院10032129 萬(wàn)艷松

南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院10032121 鞠祖強(qiáng)

摘要

簡(jiǎn)單介紹了鎳基高溫合金的發(fā)展歷程，綜述了近年來(lái)鎳基高溫合金的研究進(jìn)展，并探討了鎳基高溫合金的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵字：鎳基 高溫合金 性能 發(fā)展現(xiàn)狀

1.引言

高溫合金是一種能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料，而鎳基高溫合金是以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。

2.鎳基高溫合金發(fā)展過(guò)程

鎳基高溫合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鎳基合金)是30年代后期開(kāi)始研制的。英國(guó)于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強(qiáng)度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國(guó)于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國(guó)于50年代中期也研制出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強(qiáng)度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿(mǎn)足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60年代以來(lái)還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。

3.鎳基高溫合金成分和性能

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類(lèi)合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為：固溶強(qiáng)化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強(qiáng)化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強(qiáng)化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

鎳基高溫合金按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金。

·固溶強(qiáng)化型合金

具有一定的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大(每平方毫米幾公斤力，見(jiàn)表1)的部件，如燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。

·沉淀強(qiáng)化型合金

通常綜合采用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化三種強(qiáng)化方式，因而具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高(每平方毫米十幾公斤力以上，見(jiàn)表2) 的部件，如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、渦輪盤(pán)等(圖2)。

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪零件

4.鎳基高溫合金組織

鎳基合金的顯微組織特點(diǎn)及其發(fā)展情況見(jiàn)圖3，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時(shí)析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢(shì)：γ'相數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ'相。在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過(guò)程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。

圖3 鎳基高溫合金的組織和性能的發(fā)展

現(xiàn)代鎳基合金的化學(xué)成分十分復(fù)雜，合金的飽和度很高，因此要求對(duì)每個(gè)合金元素(尤其是主要強(qiáng)化元素)的含量嚴(yán)加控制，否則會(huì)在使用過(guò)程中容易析出有害相，如σ、μ相(圖4)，損害合金的強(qiáng)度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發(fā)展出了定向結(jié)晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片(圖5)。

圖4 鎳基高溫合金中的σ相(針狀相)

定向結(jié)晶葉片消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度相對(duì)升高，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。

圖5 鎳基鑄造高溫合金的宏觀組織和蠕變性能

a.常規(guī)鑄造等軸晶、b.定向結(jié)晶柱狀晶 c.單晶

5.鎳基高溫合金生產(chǎn)工藝

鎳基合金，特別是沉淀強(qiáng)化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，并經(jīng)真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對(duì)于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開(kāi)坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。

變形合金和部分鑄造合金需進(jìn)行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時(shí)效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時(shí)，空冷；中間處理，1080℃，4小時(shí)，空冷；一次時(shí)效處理，843℃，24小時(shí)，空冷；二次時(shí)效處理，760℃，16小時(shí)，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。

6鎳基高溫合金的研究現(xiàn)狀

５．１ 鎳基高溫合金的應(yīng)用

由于在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作條件是高溫６００～１２００℃，應(yīng)力作用復(fù)雜，對(duì)材料的要求苛刻；而鎳基高溫合金具有足夠高的耐熱強(qiáng)度，良好的塑性，抗高溫氧化和燃?xì)飧g的能力以及長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性，因此鎳基高溫合金主要應(yīng)用于制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件和航空火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫部件。在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，鎳基高溫合金主要應(yīng)用在燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤(pán)；在航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要應(yīng)用在渦輪盤(pán)，此外還有發(fā)動(dòng)機(jī)軸、燃燒室隔板、渦輪進(jìn)氣導(dǎo)管以及噴灌等。

隨著我國(guó)工業(yè)化建設(shè)的發(fā)展，鎳基高溫合金也逐漸應(yīng)用在民用工業(yè)的能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、石油化工、冶金礦山和玻璃建材等部門(mén)。目前，鎳基高溫合金主要應(yīng)用在柴油機(jī)和內(nèi)

燃機(jī)用增壓渦輪、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)閥座、轉(zhuǎn)向輥等。

５．２ 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)

從用途和發(fā)展的角度分析，鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)必向高強(qiáng)度、抗熱腐蝕性、密度小的方向發(fā)展。 （１）追求高強(qiáng)度。通過(guò)添加適量的Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ，保證γ′強(qiáng)化相的數(shù)量；加入大量的Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等難熔金屬元素，也是提高強(qiáng)度的有效途徑。但是為了維持良好的組織穩(wěn)定性，不析出σ、μ等有害相，而在新一代合金中通過(guò)加入Ｒｕ來(lái)提高

合金的組織穩(wěn)定性。

（２）發(fā)展抗熱腐蝕性能優(yōu)越的單晶合金。通過(guò)添加適量的Ｗ、Ｔａ等難熔金屬，保證高的Ｃｒ含量。 （３）發(fā)展密度小的單晶合金。從航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的角度考慮，密度大的合金難有作為，特別是對(duì)動(dòng)葉片，在非常大的離心力下是不適合的。為此，要發(fā)展密度小的單晶高溫合金，如ＣＭＳＸ－６、ＲＲ２０００、ＴＭＳ－６１、ＡＭ－３、ＯＮＥＲＡ Ｍ－３等，其中的ＲＲ２０００單晶合金實(shí)際上是在ＩＮ１００（Ｋ１７）合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，密度為７．８７ｇ／ｃｍ３［４０］。

7 結(jié)語(yǔ)

從鎳基高溫合金的特點(diǎn)和用途出發(fā)，鎳基高溫合金的發(fā)展勢(shì)在必行，鎳基高溫合金是航空工業(yè)中使用的重要金屬材料，隨著要求材料長(zhǎng)期服役的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和滿(mǎn)足高峰負(fù)荷發(fā)電要求的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的出現(xiàn)，使用的材料要具有抗疲勞、抗熱疲勞、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高以及密度小的綜合性能。因此，研制具有更高承溫能力和耐腐蝕性能的高溫合金，對(duì)我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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