1-1_高温合金

..功能材料及其应用功能材料及其应用功能材料及其应用..功能材料及其应用第1章金属功能材料..功能材料及其应用1.1高温合金..功能材料及其应用1．1．1高温合金的定义和发展高温合金:性能特点:是指以铁、钴、镍为基体，能在600~1200℃、一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。..功能材料及其应用1．1．1高温合金的定义和发展开发动力:满足机车、航空航天、核潜艇的发展需求。高温合金的基本用途：仍旧是飞行器的燃气轮发动机的高温部分，它要占先进的发动机重量的50％以上。西尔贝豪车，最低5000万。是ShelbySupercars(又简称SSC)的中文译文，1999年由美国汽车爱好者JerodShelby成立，总部设在华盛顿汽车发动机..功能材料及其应用汽车发动机：一般温度是80~115℃最高情况是100~130℃燃烧室温度是500~1200℃..功能材料及其应用波音727，1960波音757，1980波音767，1980波音飞机：如把涡轮盘温度从900提高到1300，则发动机的推力将增加130%，油耗大幅度下降。20世纪80年代的波音757、767，比20世纪60年代的波音727的油耗降低了35%。波音767使用单晶涡轮叶片，使整个发动机的热效率提高30%左右。燃烧室须承受2500～3500℃的高温和102～2×107Pa的高压，所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造..功能材料及其应用1939年，英国，Mond镍公司（后称国际镍公司），首先研制出低碳含钛镍合金Nimonic75不久，研制出低碳含铝钛镍合金Nimonic80耐温提高30℃..功能材料及其应用英国，Mond镍公司（后称国际镍公司）又通过加入硼、锆、钴、钼等金属元素，相继研制出性能更好的Nimonic80A、Nimonic90合金系列..功能材料及其应用1942年，HastelloyB镍合金用于GE公司的BellP-59和I-40喷气发动机1944年，钴基合金HS用于铸造西屋公司的YanKeel9A喷气发动机叶片之后，美国的PW公司开发了waspall合金、GE公司开发了M-252合金、特殊金属公司开发了Udmit500合金..功能材料及其应用高温合金的发展主要经历了几个阶段：1940以前提出概念，1940-50年代实现在喷气发动机的应用，1950-60年代在真空熔炼技术取得重大进展，1960-70年代集中在合金化方面..功能材料及其应用其中定向凝固工艺制备的单晶合金尤为重要，在航空发动机涡轮叶片中应用尤为广泛。1970年后主要在高温合金制作的工艺研究方面取得突破定向凝固单晶合金粉末冶金机械合金化陶瓷过滤等..功能材料及其应用1980年代以来，国内外广泛开展数值模拟研究，取得了重要进展，并在此基础上开展了显微组织及冶金缺陷预测研究。..功能材料及其应用图1-2高温合金的发展过程..功能材料及其应用1．1．1高温合金的定义和发展1．1．2高温合金的特性和分类以Fe、Co、Ni为基体，有较高的高温强度(600℃)、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。..功能材料及其应用耐高温金属材料耐热钢低合金耐热钢铁素体系耐热钢奥氏体系耐热钢500℃700℃高温合金铁(+镍)基高温合金钴基高温合金镍基高温合金弥散强化合金狭义高温合金700℃1200℃定向凝固高温合金钼基、铬基、钨基高温合金表1-1耐热合金和高温合金的分类..功能材料及其应用1.铁基(铁镍基)高温合金铁基高温合金的定义是，这些合金的主要组分为Fe，并含有相当数量的Cr和Ni，通常镍含量大约为25%-55%，Ni+Fe≥65%为基，尽可能含有少量的钼和钨。因为铁基高温合金中镍含量较高，所以也称铁-镍基高温合金。..功能材料及其应用硬化型奥氏体耐热钢Fe-25Ni-16Cr-6Mo沉淀强化型Fe-Ni-CrFe-Ni-Co-Cr美国德国,日本Fe-Cr-MnFe-Ni-Cr-Mn..功能材料及其应用Ni：Cr：Mo和W：铝、钛、铌：Ni：起稳定奥氏体的作用Cr：起提高合金的抗氧化性、抗燃气的腐蚀性的作用起强化晶界的作用铝、钛、铌：起沉淀硬化的作用..功能材料及其应用2.镍基高温合金以镍为基体的奥氏体型合金。w50%,在700℃-1000℃范围内使用。Ni具有在使用温度下较高的强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性，是应用最广泛的高温合金。镍基高温合金按工艺分为四类:变形、铸造（定向、单向、共晶）、弥散强化机械合金化、快速凝固粉末合金..功能材料及其应用3.钴基高温合金以钴为基体的奥氏体型合金。w40~60%,Co还含有钨、钼、钽、铌等因溶强化和碳化物形成元素，其含碳量高。是以碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相。Niw10~22%,w20~30%,Cr..功能材料及其应用中温强度不好镍基高温合金但当温度高于980时，其强度高、抗热疲劳、热腐蚀、耐磨腐蚀都很佳。适合于制作航空发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片、柴油机的喷嘴等。航空发动机..功能材料及其应用工业燃气轮机舰船燃气轮机的导向叶片舰船燃气轮机的喷嘴导向叶片..功能材料及其应用柴油机的喷嘴..功能材料及其应用1．1．1高温合金的定义和发展1．1．2高温合金的特性和分类1．1．3高温合金的高温性能要求高温合金工作在600~1200℃范围的高温下，对高温性能有2个要求：高温下的力学性能高温下的抗腐蚀性能..功能材料及其应用1．1．3高温合金的高温性能要求1.高温下的力学性能(1)蠕变(2)持久强度(3)热疲劳(4)松驰..功能材料及其应用(1)蠕变是指温度高于0.5T熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加产生的缓慢塑性变形的现象。绝对温度变形速率ε/s-1IIIIIIABCDABCD变形量ε(%)εrtr时间t/h应力、温度为常数图1-3典型的蠕变曲线可将蠕变曲线分为3个阶段变形速率ε/s-1IIIIIIABCDABCD变形量ε(%)εrtr时间t/h应力、温度为常数图1-3典型的蠕变曲线第I阶段：蠕变的减速阶段第II阶段：恒定蠕变阶段第III阶段：蠕变的加速阶段当达到图中D点时，材料断裂变形速率ε/s-1IIIIIIABCDABCD变形量ε(%)εrtr时间t/h应力、温度为常数图1-3典型的蠕变曲线为蠕变断裂时间，温度越高，承受应力越大，蠕变断裂时间会越短。..功能材料及其应用(2)持久强度是指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。要求获得此条件下的最大强度，是合金的重要高温性能，以τ=Aσ-B表示。τ为时间(h)，A、B为材料常数,σ为应力(MPa)。持久强度与温度梯度和波动、材料的缺口和应力集中等因素有关。(3)热疲劳是指由于温度梯度循环引起的热应力循环（或热应变循环），而产生的疲劳破坏现象，称为热疲劳。产生热疲劳原因：金属零件在高温条件下工作时，其环境温度并不恒定，而有时是急剧反复变化的。由此造成的膨胀和收缩若受到约束时，在零件内部就会产生热应力(又称温差应力)。温度反复变化，热应力也随着反复变化，从而使材料受到疲劳损伤。..功能材料及其应用(4)松驰零部件在高温长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的应力随时间的增长而自发地逐渐降低的现象。其由合金内部组织不稳定引起。..功能材料及其应用2.高温下的抗腐蚀性能1．1．3高温合金的高温性能要求提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加入其他元素，或在合金表面涂层的方法。如在合金的表面渗铝、铬硅共渗、陶瓷涂层等。..功能材料及其应用1．1．1高温合金的定义和发展1．1．2高温合金的特性和分类1．1．3高温合金的高温性能要求1．1．4提高高温合金性能的途径和方法1.结构强化2.工艺强化..功能材料及其应用1．1．4提高高温合金性能的途径和方法1.结构强化(1)固溶强化(2)沉淀强化(3)晶界强化(4)碳化物和氧化物强化(1)定向凝固(2)粉末冶金(3)快速凝固2.工艺强化{{..功能材料及其应用1．1．4提高高温合金性能的途径和方法1.结构强化(1)固溶强化加入其他元素，如不同原子尺寸的元素Co，W，Mo等，引起基体金属的点阵畸变；钨、钼可减缓基体金属扩散；钴降低合金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。..功能材料及其应用1．1．4提高高温合金性能的途径和方法1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？1)溶质和溶剂原子大小差。溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻碍位错运动。..功能材料及其应用1．1．4提高高温合金性能的途径和方法1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？2)溶质和溶剂原子的弹性模量的差别。改变溶质原子处的位错的弹性应力场。..功能材料及其应用1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？3)静电交互作用。晶体中刃位错产生的弹性畸变会引起费密能变化，导致金属导电电子从受压缩区域流向受拉伸区域，产生电偶极子。溶质原子的导电电子参与分布，使之成为一个带正电荷的离子，从而在它与位错之间出现短程的静电交互作用，使位错运动阻力增加。但该作用比弹性交互作用要小很多。1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？4)化学交互作用。溶质原子在面心立方金属中层错处的平衡浓度不同，这种不均匀分布，即所谓铃木气团(Suzuki气团)。它的强化作用比体心立方金属中的ContreII气团和Snock气团产生的弹性交互作用要小一个数量级，但其稳定性较高，将位错从铃木气团脱钉出所需的激活能高达lev。因此对于位错运动阻力，它的作用较大。..功能材料及其应用1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？5)短程有序原子。当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。位错运动通过有序区时，由于全部或部分破坏原子有序关系而增加了位错运动阻力。1.结构强化(1)固溶强化固溶强化与哪些因素有关？6)层错能降低的强化。层错能是影响蠕变变形的重要因素。对纯金属而言，蠕变第二阶段变形速率与层错能的3.5次方成比例，低层错能合金的高温强度较高。对于高温合金，降低合金层错能的固溶元素，有利于降低蠕变变形。可以粗略地把合金元素对层错能影响归纳为线性关系。合金元素对镍的层错能的影响依次递减：WTiCrCoCuFe。1.结构强化(2)沉淀强化通过高温固溶后淬火时效的方法，使过饱和的固溶体中析出共格第二相的γ’，γ”，碳化物等细小颗粒均匀分布于基体上，产生阻碍位错运动，起到强化作用。B3A型有Ni3Al(γ’)及Ni3Ti(ηq)两种。γ’相是共格析出的主要强化相；Ni3Ti不是共格强化相、但当含铝时，在析出Ni3Ti前就先时效析出共格的γ’过渡相。..功能材料及其应用影响沉淀强化很大的因素：..功能材料及其应用1)错配度错配度共格应力强化是相强化的错配度越大，强化越高。𝜀=𝛼𝛾′−𝛼𝛾𝛼𝛾𝛾′一个重要因素。图l-4Ni-A1-Me合金高温最大硬度与错配度关系(871℃/50h时效)649℃最大硬度760℃最大硬度Ni-Al-VNi-Al-SiNi-Al-CNi-Al-NbNi-Al-Ta(100h)Ni-Al-Mn(100h)Ni-Al-Ga00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0400300200500最大硬度(HV)错配度(%)𝜸−𝜸′..功能材料及其应用图l-4示出Ni-A1-Me合金高温最大硬度与错配度关系在相强化的Ni-Al二元合金中加入铌、钽、钒、硅、锰、镓及碳等元素，高温硬度随晶格错配度线性增加，其760℃高温抗拉强度也有相同变化趋势。𝜸′..功能材料及其应用2)沉淀相尺寸相大小是一个非常重要的参数，其存在一个临界质点尺寸，临界尺寸处可获得最大的强化效果。𝛾′..功能材料及其应用3)沉淀相含量相的量是获得强化效果的基本条件。𝛾′