镍基高温合金

材料学院陈铮本科生学位课金属材料学1第十章镍基合金材料学院陈铮本科生学位课金属材料学2第一节高温合金概述西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学3高温合金•高温合金指６００℃～１２００℃能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。•以高熔点金属Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃）等为基体，加入其他元素构成的在高温下使用的金属材料。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学41、具有高的热稳定性、热强性、高温蠕变性能；2、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳性能好；3、比强度高和弹性模量高，热膨胀系数小，导热性好；4、具有良好的加工工艺性能。高温合金的特点西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学5它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等），也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。高温合金的应用领域西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学6高温合金汽车增压器喷嘴环叶片燃气轮机涡轮零件高温合金的应用领域西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学7高温合金的分类高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金，使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学8高温合金的分类西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学9高温合金的发展•２０世纪３０年代后期起，英、德、美等国开始研究高温合金。•第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学10高温合金的发展史•１９４０年，高温合金涡轮叶片的第一批喷气发动机取代了活塞式发动机。燃气涡轮旋转叶片流入的气体温度愈高，发动机的推力也就愈大。•４０年代初，英国在８０Ｎｉ－２０Ｃｒ合金中加入少量铝和钛，研制成第一种较高的高温强度的镍基合金。•同期，美国开始用维塔利姆钴基合金制作发动机叶片，还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学11发动机涡轮盘用高温合金•发动机涡轮盘在60年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel718。•70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学12发动机涡轮盘用高温合金•就涡轮盘材料而论，除广泛使用的粉末盘及其发展型的双性能粉末盘、三性指粉末盘外，细晶变形盘由于成本低也被看好。•俄罗斯就坚恃认为采用传统熔铸变形盘，完全可满足第四、五代发动机的需要。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学13发动机涡轮盘用高温合金•喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能。•快凝组织特性又奠定了其性能优势，包括远优于铸锻工艺、相当或高Ｆ粉末冶金工艺的强度与持久寿命，优于粉末冶金工艺的塑性、韧性及低周疲劳寿命，因晶粒细化而改善的热加工性能等。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学14发动机涡轮盘用高温合金•由于传统变形盘的工艺设备均能使蔼用，且材料利用率高，成本明显低于粉末盘，•因此，喷射盘有可能成为粉末盘的强劲对手，是一种有极大发展潜力的制备技术。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学15航空发动机叶片材料•21世纪前10年，单晶叶片材料仍占主导地位。•叶片材料经历了铸造合金、定向凝固合金和单晶合金的发展历程，国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学16航空发动机叶片材料•这些单晶合金由于富铼易产生脆性相，近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向，开发出第四代单晶。•发展的趋势是将结构一材料－工艺统一考虑，即开发lamiloy技术，采用铸造及激光打孔工艺直按制造发散冷却孔道。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学17航空发动机叶片材料•金属间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的“热障涂层”受到重视。•该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学18航空发动机叶片材料•采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。•微叠层纳米热障涂层可望将叶片的耐温能力提高260℃。除用于叶片外，微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用机遇。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学19航空发动机叶片材料•我国铸造涡轮叶片材料超过20种，•低密变、低成本的第一代单晶合金DD3性能与国外同代合金相当，已用于直升机小发动凯涡轮叶片；•第二代单晶高温合金DD6正在推广应用于先进的涡轮发动机叶片，其承温能力相当于国外同代合金，而成本更低。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学20高温合金的未来1.难熔金属合金：目前使用的高温合金，其使用温度很难突破合金熔点温度的80%，近似1100℃。难熔金属的熔点大大超过高温合金，约2000℃。由这些金属组成的合金，可获得比高温合金更高的强度。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学21高温合金的未来1.难熔金属合金：超过900℃，材料会失去抗氧化性能，阻碍了其实际应用，采用保护涂层方法可解决。此外多采用锻件。2.采用石墨、B、W、Mo和Al2O3、SiO2晶须作为纤维与Ni、Co高温合金组成复合材料的实心涡轮叶片，可是涡轮温度和转速提高；西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学22高温合金的未来2.金属间化合物：新型的金属基高温材料。长程有序的化合物为基的材料，如Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl、(Fe、Co、N)3V、Ti3Al等。在一定温度范围内其屈服强度随温度升高而升高。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学23高温合金的未来金属间化合物的脆性：是影响其应用的最大问题。脆性与有序化排列及复杂的晶体结构有关。某些材料单晶塑性好，但多晶很脆。（1）加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布。（2）通过合金化改变有序结构的类型。（3）微合金强化晶界。如，添加B消除晶界脆性。（4）材料的纯化。使用高纯原材料。（5）细化晶粒。细化第二相组织及加入弥散第二相质点。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学24高温合金的未来2.金属间化合物：合金化元素有效性依赖于合金所处的位置。根据其占位行为替代溶质元素在A3B化合物中的占位可归结为三类：只占据α亚晶格；只占据β亚晶格；由组分决定的占据两种位置。其中第三类元素在两种位置的占位是浓度，组份和温度的函数。合金化元素替代α亚晶格，可以降低有序能，提高塑性；替代β亚晶格能促使结构转变；如果溶质原子与Al原子有较大的尺寸失配度，则能提高屈服强度。Ni3Al金属间化合物常添加B以提高其机械性能，除添加B外，Zn，Ti，Si，Cr，Mn，MO，W，Nb，Ta，V，Hf，Zr，Ni，Co，M，Ta，Re，Fe，Ga，Ge等元素作为第三组元，添加到L12型或B2型金属间化合物中，从而提高改良合金元素的力学性能和高温工作能力。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学25西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学26西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学27西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学2009年发展出L12、6H结构相复合强化，形成不同K-W锁、返程剪切取向、筏化方向。2006年《Science》报道，Co－Al－W合金中发现高温稳定的L12结构Co3(Al、W)相，承温能力提高200℃，是高温合金最重要的进展之一。L12-CO3(Al、V)具有优良的热疲劳抗力、高温蠕变抗力、高温强度、抗热腐蚀性等，在高温部件应用有很好前景。2008年，通过元素掺杂提高固相线温度100-150℃，强化相稳定性达固相线的90%，断裂应力-温度关系平坦。西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学计算结果：反位缺陷、掺杂元素与结构稳定性800100012000.750.80.850.90.95Temperature(K)Occupancyprobability8001000120000.050.10.150.20.25Temperature(K)OccupancyprobabilityNiNi1NiNi2NiVNiVVNi1VNi2AlNi1AlNi2AlV70080090010001100120013000.40.50.60.70.80.91Temperature(K)occupancyprobability7008009001000110012001300-0.100.10.20.30.40.5Temperature(K)occupancyprobabilityAlNiVNiNiAlVAlNiNiAlAl8001000120000.050.10.150.20.25Temperature(K)OccupancyProbabilityCNi1=VNi1+AlNi1CNi2=VNi2+AlNi2NiVD=CNi1+2*CNi2-NiV0.511.522.533.54x10400.050.10.150.20.25TimestepOccupancyProbabilityOccupancyProbabilityOccupancyProbability0.511.522.533.54x1040.70.750.80.850.90.95TimestepOccupancyProbabilityNia1Nia2Ala1Ala2Va1Va290010001100120013000.30.350.40.450.50.55Temperature（K）OccupancyProbabilityL12volumefractionD022volumefraction西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学计算结果：界面结构与结构稳定性(a)(200)L(100)Dr=½[100]](b)r=½[001]](002)L(002)D(c)西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学计算结果：包含了相取向、相形貌的组织结构及其稳定性5010015020025030035040045050050100150200250300350400450500501001502002503003504004505005010015020025030035040045050050100150200250300350400450500501001502002503003504004505005010015020025030035040045050050100150200250300350400450500材料学院陈铮本科生学位课金属材料学32第二节镍基合金的发展西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学33镍基合金的发展史•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)。•４０年代以后，人们为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金。西北工业大学材料