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高溫合金知識
高溫合金是在高溫嚴(yán)酷的機(jī)械應(yīng)力和氧化、腐蝕環(huán)境下應(yīng)用的一類合金。隨著科技事業(yè)的發(fā)展，高溫合金逐漸形成六個較為完整的部分。
一、變形高溫合金
變形高溫合金是指可以進(jìn)行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)、韌性指標(biāo)，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強(qiáng)化型合金和時效強(qiáng)化型合金。
1、固溶強(qiáng)化型合金
使用溫度范圍為900～1300℃，ZUI高抗氧化溫度達(dá)1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強(qiáng)度為850MPa、屈服強(qiáng)度為350MPa；1000℃拉伸強(qiáng)度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室、機(jī)匣等部件。
2、時效強(qiáng)化型合金
使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)的渦 與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦 的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。 例如：GH4169合金，在650℃的ZUI高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強(qiáng)度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
二、鑄造高溫合金
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：
1. 具有更寬的成分范圍 由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使γ’含量達(dá)60%或更高，從而在高達(dá)合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2. 具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第YI類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機(jī)上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。
第二類：在650～950 ℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。
第三類： 在950～1100℃ 使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金 這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度ZUI高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。
三、粉末冶金高溫合金
采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強(qiáng)度和疲勞性能有較大的提高。
FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強(qiáng)度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時，是當(dāng)前在650℃工作條件下強(qiáng)度水平ZUI高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應(yīng)力水平較高的發(fā)動機(jī)的使用要求,是高推重比發(fā)動機(jī)渦 、壓氣機(jī)盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
四、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金
是采用獨特的機(jī)械合金化(MA)工藝，超細(xì)的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強(qiáng)度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的主要有三種ODS合金：
MA956合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)襯。
MA754合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1250℃并保持相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向器蓖齒環(huán)和導(dǎo)向葉片。
MA6000合金 在1100℃拉伸強(qiáng)度為222MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；1100℃，1000小時持久強(qiáng)度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動機(jī)葉片。
五、金屬間化合物高溫材料
金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強(qiáng)化、力學(xué)性能以及應(yīng)用研究方面取得了令人矚目的成就。
Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強(qiáng)度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點，可以使結(jié)構(gòu)件減重35～50%。 Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫（小于600℃）有較高強(qiáng)度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
六、環(huán)境高溫合金
在民用工業(yè)的很多領(lǐng)域，服役的構(gòu)件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。
1、 高溫合金母合金系列
2、 抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件
3、 高強(qiáng)度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件
4、 耐玻璃腐蝕系列產(chǎn)品
5、 環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列
6、 特種精密鑄造零件（葉片、增壓渦輪、渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、儀表接頭）
7、 玻棉生產(chǎn)用離心器、高溫軸及輔件 8、 鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌
9、 閥門座圈
10、 鑄造“U”形電阻帶
11、 離心鑄管系列
12、 納米材料系列產(chǎn)品
13、 輕比重高溫結(jié)構(gòu)材料
14、 功能材料（膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列）
15、 生物醫(yī)學(xué)材料系列產(chǎn)品
16、 電子工程用靶材系列產(chǎn)品
17、 動力裝置噴嘴系列產(chǎn)品
18、 司太立合金耐磨片
19、 超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金，”主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料；并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。
基于上述性能特點，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750~780℃，對于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。 鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件。
1、國際發(fā)展
從20世紀(jì)30年代后期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動機(jī)的需要，高溫合金的研究和使用進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時期。40年代初，英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ相以進(jìn)行強(qiáng)化，研制成種具有較高的高溫強(qiáng)度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應(yīng)活塞式航空發(fā)動機(jī)用渦輪增壓器發(fā)展的需要，開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。
此外，美國還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動機(jī)的燃燒室。以后，冶金學(xué)家為進(jìn)一步提高合金的高溫強(qiáng)度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號的合金，如英國的“Nimonic”，美國的“Mar-M”和“IN”等;在鈷基合金中,加入鎳、鎢等元素，發(fā)展出多種高溫合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于鈷資源缺乏，鈷基高溫合金發(fā)展受到限制。
40年代，鐵基高溫合金也得到了發(fā)展，50年代出現(xiàn)A-286和Incoloy901等牌號，但因高溫穩(wěn)定性較差，從60年代以來發(fā)展較慢。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，后來生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。70年代美國還采用新的生產(chǎn)工藝制造出定向結(jié)晶葉片和粉末冶金渦 ，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應(yīng)航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度不斷提高的需要。
發(fā)展至今，國際市場每年高溫金屬合金消費量在30萬噸，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域：過去多年，全球航天業(yè)對新能源飛機(jī)需求旺盛，目前空客與波音已有超萬架此類飛機(jī)等待交付。而精密機(jī)件公司是全球高溫合金復(fù)雜金屬零部件和產(chǎn)品制造的龍頭企業(yè)，也為航空航天、化學(xué)加工、石油和天然氣的冶煉以及污染的防治等行業(yè)提供所需的鎳鈷等高溫合金。精密機(jī)件公司就是波音、空客、勞斯萊斯、龐巴迪等軍工航天企業(yè)的指定零配件制造商 [1] 。
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市場分析新型高溫合金主要包括：粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤材料等四種：
粉末高溫合金技術(shù)：FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分?jǐn)?shù)為$,-左右，其形成元素的原子分?jǐn)?shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應(yīng)熔煉制取母合金，然后霧化制取預(yù)合金粉末，進(jìn)而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點，是當(dāng)前650度工作條件下強(qiáng)度水平的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動部件，如渦 和承力環(huán)件等 [7] 。
金屬間化合物用于制作各類先進(jìn)運(yùn)載工具動力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)件，減少自重、提能；
ODS合金具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能，可用于制造發(fā)動鍵部件，也可用于火力發(fā)電系統(tǒng)、煤氣化爐、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆等；
高溫金屬基自潤滑材料主要用于生產(chǎn)高溫自潤滑軸承，主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤滑軸承（包括鑄鋼表面硫化處理軸承）在冶金設(shè)備上的應(yīng)用，該高溫自潤滑軸承具有強(qiáng)度高、承載能力大、潤滑效果好、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、噪音小、使用壽命長等優(yōu)點 [6] 。
鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(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。鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于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)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國于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。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60年代以來還發(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。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢見圖1。
