高温金属结构材料

第三章高温金属结构材料3.1引言航空材料特点：可靠性比强度和比刚度高耐高温抗疲劳耐腐蚀长寿命低成本3.2航空航天高温结构部件的工作特点及对材料的要求3.2.1高温结构部件的使用特点美国国防部要求新一代航空发动机除保证超音速巡航和超低空突防等能力外，还要求发动机：F119就是在这种背景条件下研制成功的第一台全新设计的西方第四代航空涡扇发动机。燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能：高的抗氧化能力（即高的热稳定性）足够的热强性（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力）满意的塑性和韧性；更高的热疲劳性（即对能引起热应力的热交换的敏感性要低）足够高的低循环疲劳强度良好的耐蚀能力（保持叶片的空气动力性能）高的导热性和低的热膨胀系数良好的工艺性能（即良好的焊接性能，锻造性能及铸造性能等）三高：高推重比，高压比，高涡轮前温度60年代末，发动机部件的强度设计经历了由强度估算到损伤容限设计的发展阶段。3.2先进高温结构材料的设计原则发动机高温部件：压气机、机匣、涡轮、喷嘴、燃烧室高温及应力作用下，材料的组织结构不断发生变化，如高温合金中发生的显微结构的不稳定性，包括：金属间相的析出相的分解相的聚集和粗化相的溶入和再析出有序－无序转变材料氧化应力－腐蚀裂纹发动机材料服役环境：高温高载荷高氧化腐蚀高性能重量比高可靠性高寿命选择材料的出发点：3.3高温钛合金3.3.1高温钛合金的应用概况近α钛合金β钛合金近β钛合金3.3.2高温钛合金合金化历程英美1954年美国Ti-6Al-4V350－450℃60年代Ti-6246Ti-6242450－500℃70年代Ti-6242S英国IMI679和IMI685500℃70～80年代期间IMI829、IMI834和Ti-1100近600℃俄罗斯早期BT3-1400－500℃1958年BT8、BT9450－500℃后来BT18T、BT19Y、BT36600℃3.3.3新型高温钛合金的发展思路提高钛合金耐热性的两个障碍：一、蠕变二、热稳定性什么是金属的蠕变?金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。热稳定性问题所谓热稳定性问题是指合金在高温下长期热暴露后因内部析出脆化相和表面被氧化而变脆。影响热稳定性因素：首先，追求强度而采取的高合金化，促使生成非平衡亚稳组织，合金长时间工作后脆性相析出，导致不稳定；高温下氧的渗入，在合金表面形成一个富氧层，导致了合金表面的不稳定。Si－提高高温抗蠕变性稀土－强化基体；细化晶粒，提高抗疲劳性，改善热稳定性。Gd2％－强度、塑性和蠕变性能的最佳配合Y－改善热稳定性和抗蠕变性能。新的合金元素应具备这样的条件：在中应该具有较大的溶解度，并有较好的强化作用，但形成相的倾向要比Al、Sn小得多，尽可能避免带来组织不稳定。目前，探索到的新合金有Ga、Zn、Pb、Sb、Bi等。TiXTi3抗氧化性涂层渗铝涂层Pt、Au涂层ZrOOAl、323.3.4阻燃钛合金钛合金的自燃特性美国ALLOYC(Ti-35V-15Cr)俄罗斯BTT－1和BTT－3。我国，Ti－40，Ti4阻燃合金元素Cr铬、钒、钼绝热燃烧温度低于纯钛，可抑制燃烧蔓延。3.3.5铸造热强钛合金铸造α钛合金Ti-6Al-4VTi-6Al-2Sn-4Zr-6Mo400℃Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo500℃三种型壳系统纯石墨型壳系统：导热率高，易产生流痕和浇不足缺陷。钨面层型壳系统：原材料昂贵、来源困难、生产周期长。氧化物陶瓷型壳系统：原材料来源丰富，能够浇注形状复杂、薄壁铸件。铸造β钛合金Ti153合金：时效效果好，拉伸强度高，有与Ti－6Al－4V相同的断裂韧性和更好的疲劳性能。3.4镍基高温合金3.4.1高温合金高温合金的基本要求：1、具有较高的热稳定性，即在高温下具有抗腐蚀能力2、具有高的热强度。即在高温下具有高的抵抗塑性变形和断裂的能力。3、具有良好的工艺性能。即在冶炼、铸造、热压、焊接和切削加工等方面，要有满意的工艺性。热强度及其指标1、蠕变强度2、持久强度3、高温短时强度和高温疲劳强度提高热强性的途径从热稳定性方面来说，主要是加铬提高抗蚀性。从热强度方面来说：1、用熔点较高的金属作为高温合金的基体。2、对基体金属进行合金化：强化基体，提高再结晶温度；加入合金元素强化晶界。3、利用铸造组织。4、热处理。3.4.2镍基高温合金和合金化原则γ‘相的强化作用改善晶界偏析的两种途径:第一，50年代后期,将大气熔炼改成真空熔炼，减低损害合金性能的化学偏析、脆性金属间化合物或低熔点共晶的数量。其次，发展定向凝固技术以形成柱晶的高温合金而消除弱的横向晶界。随后发展了单晶技术。3.4.2铸造高温合金产生背景：20世纪60年代，变形高温合金中铝、钛、铬、钼、钨的含量不断提高，塑性变形阻力增大，难以进行锻造、轧制等热加工，或者在加工过程中出现热裂纹和崩裂。铸造高温合金可以熔人更多的固溶强化元素和第二相强化元素，使工作温度达到1000℃左右，超过变形高温合金50－100℃。铸造高温合金通过精密铸造工艺较容易制成空心或多孔型叶片，通过对流和气膜冷却，进一步提高了材料的工作温度。等轴晶定向柱晶单晶1、普通铸造形成等轴晶，晶界多，结合强度差采用细晶铸造改善晶界性能：机械振动法化学法2、定向铸造和单晶铸造定向铸造－形成并列的柱晶，消除横向晶界。针对涡轮叶片。定向铸造特点：控制铸型的散热方向和冷却梯度，使熔融金属由叶片的一端向另一端逐渐凝固。使工作温度提高约50℃，疲劳寿命提高10倍以上。单晶铸造消除晶界控制熔融金属在铸型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶长大。定向及单晶技术的简单发展历程20世纪60年代，美国惠普公司研制出高温合金定向凝固工艺，标志着叶片合金的发展进入一个新阶段。70年代，美国已将定向凝固涡轮叶片、导向叶片投入航线使用。80年代以来，单晶叶片的发展更为迅速。定向凝固和单晶涡轮零件的优越性：优越的高温蠕变强度；抗热疲劳性能；较长的蠕变寿命；优异的中温塑性；好的薄壁性能。单晶高温合金特征（与定向相比）：一是无晶界，因而不需要加入晶界强化元素。二是Mo、Ti、W、Cr、Co等难熔元素含量增加，因而高温性能提高。国外单晶合金的发展：起步：1975年，Jackson研究M－M200合金，确定γ’合金化的基本思路是提高合金初熔温度和增加合金中γ’相的体积百分数。第一代：PWA1480，去除了晶界强化元素，增加了大量的高熔点元素Ta等，因而提高了合金的初熔温度和蠕变强度。之后，美国Canon等公司及英国罗.罗公司，CMSX－2、Rene’N4、SR99，1040℃第二代：PWA1484，加入了3％左右的铼，进行γ基体固溶强化，阻止γ’粗化。1070℃。还有PWA1487、CMSX－4、Rene’N5。第三代：Rene’N6和CMSX－10为代表，1100℃。成分特点：一是铼含量提高到6％，抑制了强化相的粗化，起到强化γ’相的作用；二是难熔合金元素总量高达20％以上，进一步提高高温蠕变强度。国内单晶高温合金的发展DZ4－－我国第一个用于现役发动机投入航线使用的定向单晶高温合金。DD3－－我国第一个用于航空发动机的单晶合金。IC－6－－我国第一个进入工程化应用阶段的金属间化合物基定向凝固高温合金DZ38G和DD8也是我国研制的定向合金和单晶合金，抗腐蚀性好。定向共晶自生技术定向共晶高温合金：定向凝固条件下，合金与纤维或层片状强化相从合金熔体中同时生长并在凝固后保持规则排列的合金。又称“原生复合材料”。基体相：镍基或钴基合金强化相：TaC、NbC、Cr3C2等碳化物纤维，α－Mo纤维及Ni3Nb层片。使用温度：高出高温合金10～110℃。合金超纯化采用先进熔炼工艺。高温合金主要采用真空感应、电渣、电弧重熔的3次熔炼工艺；钛合金主要采用电子束和等离子束冷膛熔炼，然后采用真空电弧重熔。3.4.3粉末冶金高温合金粉末冶金法的优点：可获得近终形零部件容许提高合金元素的含量，导致较高的强度可使合金具有均匀的显微组织和化学成分，避免宏观偏析及锭、坯开裂的危险。需要注意的问题：粉末的洁净度控制粒度分布范围采用新的成型技术PM＋HIP工艺：优点：可获得近终形制品，高强度和长蠕变寿命。确定：低周疲劳性差。取代工艺：粉末加热挤压和等温锻。产品：Rene’88DT，U－720美国的粉冶高温合金Pratt&Whitney公司：1972年，IN100合金1976年，Astroloy合金80年代初，MERL76合金涡轮盘GE公司：1972年，Rene’95合金盘件1978年，F404发动机的压气机盘、涡轮盘和涡轮轴。1983～1988年，Rene’88DT合金。俄罗斯的粉冶合金ЭП741ЭП962ЭП975双性能粉末盘轮缘部分为粗晶，有利于提高抗蠕变性能轮心为细晶，有利于提高强度及疲劳性能制粉工艺：氩气雾化法和旋转电极法。我国的粉冶合金及其工艺研究FGH100（In－100）FGH95（Rene’95）1984年，模锻出φ420mm的全尺寸涡轮盘。成型方法：热等静压、热等静压＋等温锻造、热挤压＋等温锻造三种成型工艺三种工艺组织上的差别：热等静压：存在大量的枝晶组织和原始颗粒边界，没有明显的塑性变形；经过锻造：大多数枝晶组织和原始颗粒边界已破碎，少量保留下来；挤压材料：由于粉末颗粒受到了强烈的剪切变形，是完全再结晶的细晶组织，已观察不到枝晶组织和原始颗粒边界。反映在断口组织上，热等静压材料是沿原始颗粒边界断裂的，为脆性断裂，而经过锻造或热挤压的材料是穿晶断裂，呈韧窝状，为韧性断裂。3.4.3弥散强化高温合金弥散强化：将超细粉、稳定的第二相质点十分均匀地引入合金中使其强化。弥散强化高温合金：在高温合金中引人超细氧化物质点，使其在更高的温度下仍维持较高的强度，使用温度可提高150℃的超强高温材料。弥散强化工艺：机械合金化（MA）－－将两种以上的金属粉末或金属粉末与中间合金粉置入高能球磨机中球磨一段时间后制成合金粉末的方法。典型合金：美国MA956、754和6000E我国ODS高温合金的研究：目前已找到制造ODS高温合金的完整工艺：MA制粉－装套除气－热挤压固实化－变形加工－再结晶处理。1985年完成MGH956的研制。3.4.5镍基高温合金在航天工业中的应用制造发动机涡轮盘：GH1040、GH2038A、GH4169合金制造发动机轴：GH2038A、GH4169合金制造燃烧室隔板、涡轮进气导管：GH1131合金制造喷管：GH600合金3.5金属间化合物－金属与金属结亲有序晶体结构不同金属元素通过混合键结合3.5.1Ti－Al系金属间化合物主要特点：高温性能好，抗氧化能力强，耐腐蚀，重量轻。典型代表：α2－Ti3Al，γ－TiAl3.5.1.1Ti3Al系在美开始批量生产的钛高温钛合金成分：Ti－21Nb－14Al和Ti－21Nb－14Al－3.5V-2Mo目前发展的α2合金热机械处理（TMP）ThermomechannicalPrecessing可把塑性变形与组织控制结合起来，达到改善合金性能的目的。主要特征是在变形中使材料处于高能量的加工态，产生稳定的点阵扭曲或较高缺陷密度，并在随后的热处理过程中加以利用，使材料的强度和塑性结合较好，成为获得强韧材料的有力工艺手段。如：铸锭→热锻→固溶→冷变形→时效室温塑性和高温性能的平衡1、通过改变化学成分及热处理调整β相的数量Nb－大部分性能提高，蠕变性能除外。Mo、Ta、Cr、V－提高强度Mo－提