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12013年《材料制备技术》课程期末试卷姓名：李勇锋学号：100810221班级：金材1002日期：2013年11月11日2镍基高温合金材料制备技术及研究综述摘要:针对新型镍基高温合金的特性，通过热力学计算并且利用扫描电镜对新型镍基高温金长期时效后的组织稳定性及合金的高温性能进行了研究，利用静态增重法、SEM对新型镍基高温合金的抗氧化性能及氧化机理进行研究和分析，利用SEM对新型镍基高温合金在模拟燃煤环境中的耐腐蚀性能及腐蚀机理研究和分析，得到以下结论：1．新型镍基高温合金在750℃、800℃和850℃时效时表现出良好的组织稳定性，主要析出相为7’相、MC以及微量的M23C6等。没有发现11相和脆化相。相的析出。新型镍基高温合金表现出较高的持久强度，比原型合金的持久强度明显提高。2．新型镍基高温合金在950℃和1000℃具有较好的抗氧化性能，氧化动力学都遵循抛物线规律，但是每个温度每个试样都有2个抛物线常数％和砀。新型镍基高温合金氧化膜在氧化过程中，发生了内氧化。同一温度，试样l的抗氧化性较好于试样2。同一试样，温度为950℃的抗氧化性能优秀于1000C的抗氧化性能。3．新型镍基高温合金在750C的模拟燃煤环境中遭受的腐蚀过程分为两个阶段：在孕育期合金表面形成了氧化膜，使合金遭受的不严重腐蚀，速腐蚀阶段，腐蚀过程中Co的氧化在合金表面生成的CoS04稳定存在，引起合金严重的腐蚀。关键词：新型镍基高温合金，微观组织，持久强度，冲击性能，抗氧化性，耐腐蚀性3目录前言................................................................................................................................4一镍基高温合金的发展历程......................................................................................4二国外产业研究概述..................................................................................................5三国内产业研究概述..................................................................................................6四镍基高温合金..........................................................................................................74.1镍基高温合金...................................................................................................74.2镍的特性...........................................................................................................74.3镍基高温合金的分类.......................................................................................84.4镍基高温合金的组织特点...............................................................................84.5镍基高温的热处理...........................................................................................94.6镍基高温合金材料类型.................................................................................11五新型镍基高温合金的长期时效组织和性能测试................................................125.1合金长期时效组织实验.................................................................................125.2合金持久拉伸性能测试.................................................................................125.3合金冲击性能测试.........................................................................................125.4新型镍基高温合金的抗氧化性实验.............................................................12六现有技术存在问题................................................................................................13七建议及其展望........................................................................................................13八相关专利................................................................................................................144前言镍基高温合金在整个高温领域内占有特殊重要的地位，是因为镍基高温合金具有工作温度高、组织稳定，有害相少，抗腐蚀性能好，能在较高温度和应力条件下工作等优点，它被广泛地用来制造航空喷气发动机、各种燃气轮机的最热端部件，如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘，燃烧室等。若以150Mpa，l00h的持久强度为标准，则目前镍基高温合金所能承受的最高温度约为1100℃，而钴基高温合金约为950℃，铁基(铁一镍基)高温合金小于850℃，即镍基高温合金相应地高出150至250C左右。人们称镍基高温合金为“发动机的心脏”，在先进的发动机上，镍基高温合金已占总重量的一半，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基高温合金。由于高温合金的使用条件不同，则对各种性能的镍基高温合金的性能要求也不同。为此，满足各种使用环境的镍基高温合金在不断地发展中，用来满足高温条件的抗高温氧化和高温燃气腐蚀，其合金成分主要是含抗腐蚀的合金元素铬，同时会加入少量的强化元素如钛、铝、钼、钨等，使合金的在高温环境中具有优异的组织稳定性和优异的持久强度等力学性能。这类镍基高温合金通常又被称为抗氧化镍基高温合金。许多在高温条件下工作的部件，如高温条件使用的各类叶片、涡轮盘等，既要承受高温燃气的腐蚀，又要承受外加负荷，因此这类合金既要有高抗高温腐蚀性能，又要有高的高温综合力学性能，这类镍基高温合金通常被称为热强性镍基高温合金。一镍基高温合金的发展历程镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它的开发和使用始于20世纪30年代末期，是在喷气式飞机的出现对高温合金的性能提出更高要求的背景下发展起来的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic75（Ni－20Cr－0.4Ti），为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic８０（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高温合金。镍基高温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；50年5代后期，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。镍基高温合金的发展趋势如图１所示。二国外产业研究概述高温合金的发展历史要追溯到三百年前151，只是在Brayton提出了一套基本的热动力学理论(高的使用温度会产生更有效的工作系统)才促使高温材料发展。十九世纪，有～批稳定的高温合金材料用于当时先进的蒸气机的生产。高温镍基合金开始走入到科技研发之中。1929年，英国的Merica，Bdeford和Pilling等人少量的Ti和灿加入到80Ni-20Cr合金，使该合金具有显著的蠕变强化作用，但还未引起人们的注意。1939年，英国Mond镍公司(现称国际镍公司)生产出加入少量C和n的Nimonic75，用作短时使用的叶片材料，并广泛用作火焰筒材料，随后又加入Al，Ti得到了Nimonic80镍基合金。20世纪40年代初，美国GE为其J．33航空发动机选用了镍基合金HS．2l6制作涡轮工作叶片，代替原先用的锻造高温合金Hastelloy-B。当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性，宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。结果表明HS．21完全可以代替Hastelloy-B制作涡轮转子叶片，从此开始了使用铸造高温合金工作叶片的历史。1942年，英国Mond镍公司在Nimonic80合金的基础上加入了B，zr得到了Nimonic80A，这是最早发展的以Ni3(AI，Ti)强化的涡轮叶片材料。为了进一步改善合金的蠕变和持久性能，以Co代替基体中的部分Ni，发展Nimonic90合金，加入Mo得到了Nimonicl00，Nimonicl05和Nimonicll5，形成了Nimonic系列。随后通过提高冶炼技术、精确控制合金成分，特别是调整了B的含量而得到了性能优异的Nimortic93，108，109，120等Nimomc系列新合金。在此期间，美国国际镍公司发展了Ni℃r-Fe系固溶强化的Inconel600，在此合金的基础上加入Al，E，得到了一系列的以T’相强化的合金，形成了Inconel系统，其中加入Al，Ti，Nb后，其中加入Al，Ti，Nb后得到广泛应用的InconelX-7501引。三国内产业研究概述国内镍基高温合金发展也同国外一样，航空喷气发动机生产的需要是我国镍基高温合金发展的主要动力。1956年我国正式开始研制高温合金，第一种高温合金是GH3030，用作WP-5火箭筒，由抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料研究所和410厂共同承担试制任务，1957年顺利通过长期试车后投入生产。到1957年底，继GH3030合金之后，WP-5发动机用的GH4033、GH33和K412合金相继试验成功。我国第一台真空熔炼炉是中科院金属研究所于50年代末建立的容量为5kg的真空感应炉，对新合金的研究起了重大作用。我国第一个铸造高温合金是北京航空材料研究院于1958年研制的K401台金，用作WP6发动机的导向叶片。上世纪60年代，全国在“独立自主，自力更生”的方针指引下，先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等高温合金。我国第一个铸造涡轮工作叶片是60年代初在黎明发动机厂