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高温合金讲义

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第五章_高温合金

第五章_高温合金


(2) 典型牌号
GH1035 GH2036 GH1130 GH2132等 (高合GH）
2) 镍基高温合金
单相 A 组织，抗氧化性好， 高温强度高，用于制造在 800℃ ～ 900℃以下受力的零件。如涡 轮机叶片等。
(1) 成分及性能特点
这类合金是以Ni 为基，加入 Cr、W、Mo、Co、V、Ti、Nb、 Al 等，以形成 Ni 为基的固溶体。 产生固溶强化并提高再结晶温度， 以及形成弥散分布的稳定碳化合 物和金属间化合物，提高合金的 高温强度。
现代高速飞机多数使用喷气式发动机，原理是将空气吸入，与燃油混合， 点火，爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。下图的发 动机剖面图里，一个个压气风扇从进气口中吸入空气，并且一级一级的压缩 空气，使空气更好的参与燃烧。风扇后面橙红色的空腔是燃烧室，空气和油 料的混和气体在这里被点燃，燃烧膨胀向后喷出，推动最后两个风扇旋转， 最后排出发动机外。而最后两个风扇和前面的压气风扇安装在同一条中轴上， 因此会带动压气风扇继续吸入空气，从而完成了一个工作循环。
从发动机关键材料看：高温合金 仍然是主要材料（>50％） 。作为涡轮叶片，单晶加发汗冷却，可以满足2000℃以上。 陶瓷 有可能用于燃烧室和导向叶片。 钛合金 （1600℃－650℃）及钛铝基中间化物（600℃－ 1000℃）可用于机匣，压气机叶片。 C/C复合材料 虽然在比强度，比刚度和高温有特殊优越 性，但抗氧化问题须解决。
发动机
• 发动机的分类 1. 活塞式发动机 是一种把燃料的热能转化为机械功带动螺旋桨转动的热机。 2.喷气式发动机 空气喷气发动机可分为： a. 有压气机式，包括涡轮喷气发动机，涡轮螺旋发动机，涡 轮风扇发动机。 b.无压气机式，包括脉冲空气喷气发动机，冲压式空气喷气 发动机。
高温合金简述

高温合金简述

缺点：组织不够稳定；抗氧化性差；工作温度较低
镍基高 温合金
优点：可溶解较多的元素，具有良好的组织稳定性、高温强 度和抗腐蚀性，工作温度较高。 缺点：疲劳性能稍差，塑性较低
优点：较高温度下仍具有高强度和抗热疲劳性能
钴基高 温合金
缺点：中低温工作性能不如前两种高温合金
4
2. 镍基高温合金

图2.1为20世纪40年代后的镍基高温合金及其工艺的发展过程[1]。
Fig. 2.1 Development of Ni-base superalloys
5
镍基高温合金的基本组织类型有：奥氏体基体（高度合金化固溶体）；
弥散分布于基体中的碳化物或金属间化合物相，如γ′相[Ni3（Al,Ti）]和γ"
相（NiNb，NiTa）；或高熔点稳定化合物质点（由粉末冶金或机械合金 化方法制得）[2]。图2.2为GH4169的金相显微组织结构图。
Fig.2.2 Microstructure of super alloy GH4169
6
镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构，其晶体结构从室温 至熔点的温度区间内始终保持面心立方结构不变，同时，许多合金元素 都可以固溶到镍基材料中进行充分的合金化，因此镍具有作为高温合金 基体元素的优越属性，同时镍基高温合金中可以析出 L12结构γ′相，这是 镍基高温合金中最有效的强化方式，使得镍基高温合金具有优良的综合 性能。


13
14
[5] Jian Zhang. Effect of Ti and Ta on hot cracking susceptibility of directionally solidified Ni-based superalloy IN792. Scripta Materialia, 2003, 48(6): 677~681. [6] D. Leidermark, J.J. Moverare, S. Johansson, K. Simonsson, S. Sj ö str ö m. Tension/compression asymmetry of a single-crystal superalloy in virgin and degraded condition. Acta Materialia, 2010,58(15): 4986~4997.
第8讲-高温合金和铸铁

第8讲-高温合金和铸铁


由此可知，作为高温合金材料必须具备如下的基本要求： （1）高的热强性：合金在高温下具有高的抵抗塑性变形和断裂的能力。
（2）高的热稳定性：合金在高温下具有高的抵抗氧化和燃气腐蚀的能力。
（3）良好的工艺性能：即合金在冶炼、铸造、锻造、冷压、焊接、热处理和 切削加工方面具有满意的工艺性能，便于加工成成品。 此外，在物理性能方面也有所要求，例如高的比强度和弹性模量，大的导热系 数，小的热膨胀系数等。 要完全满足上述要求是很困难的，因此，在选材时，应根据其不同的服役条 件，有针对性地进行合理地选用。
位错运动，降低扩散速度，有效提高合金高温强度。例如TD-Ni合金（Ni+
2%ThO2）在1200℃时仍未发生再结晶，强化效果可达0.8~0.85T熔。 利用铸造合金组织的特殊分布：铸造高温合金中的化合物，往往呈网状 或骨骼状分布，且比较稳定，晶粒又比较粗大，减少了晶界，能显著提高 合金高温强度。但铸造合金脆性较大，多适于不受冲击的高温零件。
4、高温合金的分类和编号 高温合金按基体金属不同分为铁基、镍基和钴基高温合金。如Fe-Ni-Cr基合 金，Ni-Cr-Co基合金等。钴基合金在国外有相当的发展，但在我国由于资源的限 制，应用较少。 按生产工艺成型方法，高温合金则分为变形高温合金（用于锻造、轧制 成型）和铸造高温合金（用于精密铸造成型）。 高温合金的编号： 变形高温合金以拼音GH+序号数字表示。如GH135表示135号变形高温合金。 铸造高温合金则以字母K+序号数字表示。如K1，表示1号铸造高温合金。
镍基合金的典型显微组织如图所示。可以看出，合金的显微组织随合金强度的 提高而演变的情况。由固溶强化的单相奥氏体（晶界有少量碳化物）演变为以 ’相强化的多相合金。 图a)为固溶强化合金；；图b)、c) 为’相强化变形合金；d)、e)、f)为 铸造合金组织。对于固溶强化合金， 随着合金强度的提高，合金强化元素
航空航天材料-高温合金部分01-概论

航空航天材料-高温合金部分01-概论

3.5Mo-5.0Al-4.0Ti-0.15C)
760℃:σb =1083MPa ★ Rene95 (Ni-14Cr-8.0Co-3.0Mo-3.5W-
3.5Ta-3.5Al-2.5Ti-0.15C-0.01B-0.05Zr)
760℃:σb =1171MPa
高温合金的发展：与涡轮发动机的发展密不可分
工艺的进步推动了合金发展
3. 粉末冶金
消除偏析
提高初熔温度~50 ℃
细小晶粒
提高中温强度和塑性
4. 定向结晶
高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内
消除主应力方向上的晶界
提高了高温蠕变强度、塑性、热疲劳抗力
降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点
高温合金的发展
高温合金的发展
二、高温合金中的主要相
γ－Ni基固溶体 (FCC) γ’－Ni3Al(FCC)
strength and fracture toughness are also important – and
these must be maintained over time.
3. Tolerance of severe operating environments.
For example, the hot gases generated in a coalfired electricity-generating turbine are highly corrosive due to the high sulphur levels in the charge. Kerosene used for aeroengine fuel tends to be cleaner, but corrosion due to impurities such as potassium salts and the ingestion of sea-water can occur during operation. In these cases, the high operating temperatures enhance the possibility of oxidation. Under such conditions, any surface degradation reduces component life.
镍基高温合金-PPT课件

镍基高温合金-PPT课件


燃气轮机涡轮零件
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。
1000
1100
1200
1300
计算结果：界面结构与结构稳定性
(200)L (a)
(100)D (b)
r = ½ [100] (c) ]
(00 2)L
(00 2)D
r = ½ [001] ]
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
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 50
22
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。

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。
7
西北工业大学
材料学院
陈铮
本科生学位课
高温合金-讲

高温合金-讲


1942年：Hastelloy B镍基合金用于GE公司的Bellp-59喷气发动机及 其后的I-40喷气发动机。
1944年：西屋公司的Yan Kee19A发动机采用钴基合金HS 23精密铸 造叶片。 1950年美国出兵朝鲜，由于钴的资源短缺，镍基合金得到发展并 被广泛用作涡轮叶片。美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司 分别开发出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金。并在这些合 金发展基础上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌号系列。
粉末高温合金：“FGH”后跟阿拉伯数字表示
焊接用的高温合金丝：“HGH”后跟阿拉伯数字
MGH——机械合金化粉末高温合金 DK——定向凝固高温合金
DD——单晶铸造高温合金
70年代以前，我国高温合金牌号简单，变形高温合金只有3 位数字编号，铸造高温合金只有2位数字编号，即省略了前 缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字，如 “K17”，即现在的“K417”，“GH39”即为现在的 “GH3039”
高温合金概述
国外高温合金发展状况 1929年：英美Meriea、Bedford和Pilling将少量的Ti和Al加入到 80Ni-20Cr电工合金，蠕变显著强化。
1932年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金 K42B，用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。
1937年：德Hans von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世。
我国高温合金发展历程
1956年：正式开始研制生产高温合金，第一种高温合金是GH3030， 用作WP－5火焰筒（歼-5），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厂共同试制 1957年：通过长期试车后投入生产。 1957年底，继GH3030合金之后，WP－5发动机用的 GH4033(DH437B)、K412合金相继试制成功。
高温合金讲义第十一章

高温合金讲义第十一章


近片层组织(NL)。在刚低于Ta温度不远的α+γ两相区进行 热处理，经空冷或炉冷均可得到由γ/α2层片和少量分布于 层片团间的等轴γ晶粒组成的近全层片组织。由于γ相较少， 对α相长大的钉扎作用减弱，故产生的片层团较大(200500µm)， γ晶粒一般小于20µm，热处理温度愈远离Ta，则 层片团尺寸愈小，但γ晶粒愈多。
(0001)α // (111)γ <1120>α // <110>γ
2 2
两相TiAl合金α2与γ的结晶学关系：
(0001)α // (111)γ <1120>α // <110>γ
2 2
相应也有六种变体，见表13-4。
γ-TiAl的形成及其基本的固态相变 TiAl的形成及其基本的固态相变
从液态TiAl冷却时可以有三种完全不同的凝固路线
冷却速率影响
TiAl基合金先在单相区固溶处理后，随着冷却速度不同可得到不同的 α相分解产物。如图13－4所示。 *极缓慢冷却条件下将得到胞状(cellular)组织； *在炉冷等较低的冷速下(0.05-3℃/s)，将得到全板条组织； *中等冷速如空冷将得到魏氏组织(Widmanstatten)或羽毛状(feathery)组 织； *水淬可将得到块状(massive)组织。 *进一步提高冷速和增加过冷度将抑制α相的分解而直接有序化而得到 单相α2组织。
板条组织
α2＋γ相板条组织不仅可以通过从α相中析出γ相形成，α相 共析反应分解也是形成α2＋γ相板条组织。试验表明，典型 的共析反应实际上是很难发生的。因为α2和γ相形核的难易 程度有很大区别：α→α2仅为有序相变(成分变化不大)，而 α→γ为扩散型相变。 γ相的析出较之有序相变要缓慢得多。 通常，γ-TiAl合金中所得到的α2＋γ板条组织，是通过γ相由 α相或有序α2相析出而形成。依Al含量的不同，板条组织的 形成有两种不同的方式： (1)高Al合金中α相首先析出γ板条及随后α层片有序化为α2； α→L(α＋γ)→L(α2＋γ)，其中L代表板条组织， (2)低Al合金中α相首先有序化为α2随后再析出γ板条 α→α2→L(α2＋γ) 有人认为Al含量大于43％时按前者进行，Al含量小于43％ 时按后者进行。
航空航天材料-高温合金部分03-晶界强化

航空航天材料-高温合金部分03-晶界强化

➢ 主要有害微量杂质主要有： Si，S，P，Mn，金属和类金属杂质 (Pb,Sb,Bi,As,Sn,Se,Ag,Tl,Cu)
➢ 有害微量杂质元的危害： 偏聚于晶界，形成低熔点化合物，促进晶界有 害相析出； 增加凝固偏析，影响凝固过程，促进元素偏析 和有害相析出； 形成夹杂物或溶解于γ固溶体产生脆性。
➢ 适量Hf还可以降低焊缝和热影响区热裂的敏感性。
主要合金化元素及其作用
加Hf对定向凝固Mar-M200合金横向持久性能的影响
试验温度 应力
/oC
/Mpa
持久寿命/h 2%Hf 0%Hf
持久延伸率/% 2%Hf 0%Hf
760 595 780
0.3
4.2
0.8
760 700 170
0
5.3
0.1
870 420 120
➢ 非平衡偏析：是一种动力学偏析现象，其偏析量随
温度升高而增多，并随平衡条件的达到而消失。偏析 层较厚，可达几个微米。
晶界强韧化与微合金化元素的作用
➢ 化学反应：
➢ 析出：析出机制通常指微量元素在液态或固态发生
某种化学反应而析出沉淀相，例如N和O等气体微量 元素在合金液态下与合金中Ti、Al等元素化合生成 TiN、TiO2、Al2O3等夹杂；
➢ 碳还对高温合金的化学性能有影响。
主要合金化元素及其作用
主要合金化元素及其作用
有益微合金化元素： Mg
➢ 镁原子偏聚于晶界，提高晶界结合力，增加晶界强 度。
➢ 微量的镁在晶界偏聚降低晶界能和相界能，改善和 细化晶界碳化物以及其它晶界析出相的形态。
➢ 镁还偏聚于碳化物相界， γ'相界。有效抑制晶界 滑动，降低晶界应力集中，消除缺口敏感性。
降低元素扩散→提高高温蠕变强度 W、Mo、Re
高温合金资料

高温合金资料

• 压力铸造：提高密度和力学性能
• 离心铸造：提高组织均匀性和力学性能
变形加工技术
• 热轧：提高合金的致密性和力学性能
• 冷轧：提高合金的强度和硬度
• 热处理：提高合金的力学性能和抗氧化性能
高温合金性能评估与寿命预测技术的进展
性能评估方法
• 持久试验：模拟实际工作条件下的持久性能
• 加速试验：缩短试验时间，提高试验效率
低成本高温合金
• 优化化学成分
• 优化生产工艺
• 降低原材料成本
长寿命高温合金
• 持久寿命评估与预测
• 损伤容限与寿命管理
• 高可靠性与维护性
高温合金制备工艺的优化与创新
熔炼工艺
• 高真空熔炼：提高合金纯度
• 电渣重熔：提高合金组织均匀性
• 真空感应熔炼：提高合金纯净度和组织均匀性
铸造工艺
• 消失模铸造：提高成型精度和表面质量
• 燃烧室：高温燃烧过程中的热防护
高温合金在核能领域
的应用
• 核反应堆部件
• 压力容器：承受高温高压的环境
• 燃料棒：高温环境下的核反应
• 冷却剂管道：高温高压环境下的冷却剂输送
高温合金在其他高温环境下的应用
钢铁冶金行业
⌛️
• 高温炉部件：高温环境
下的物料加热和熔炼
• 输送管道：高温环境下
的物料输送
02
冷轧
• 提高合金的强度和硬度
• 改善合金的塑性
03
热处理
• 固溶处理：提高合金的力学性能和抗氧化性能
• 时效处理：提高合金的强度和硬度
高温合金的表面处理与防护
表面处理
防护
• 抛光：提高表面质量和表面粗糙度
• 涂料防护：提高表面抗腐蚀性能
高温合金

高温合金

1. 高温合金的定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定盈利作用下长期工作的一类金属材料。

2. 高温合金的命名方法：变形高温合金以“GH”加4位阿拉伯数字表示。

前缀后第一位数字表分类号，1、2表铁基或铁镍基，3、4表镍基，5、6表钴基；1、3、5表固溶强化型合金，2、4、6表时效沉淀型合金。

前缀后的第2、3、4位表合金编号。

铸造高温合金以“K”加3位阿拉伯数字表示。

前缀后第一位数字表分类号，含义与变形合金相同，第2、3位表合金编号。

粉末高温合金以“FGH”加阿拉伯数字表示。

3. 高温合金主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室。

4. 常见的高温合金基体有哪几种？ 铁基 镍基 钴基5. 高温合金的固溶强化机制：固溶度小的合金元素较之固溶度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小却又限制其加入量。

6. 合金元素的固溶强化能力排序：Cr<Mo<W<V<Nb<Ta<Al<Ti<Be7. 影响蠕变的重要因素：层错能8. 合金元素对层错能的影响规律：合金元素对镍的层错能的影响按下列次序递减：W Ti Cr Co Cu Fe。

对于奥氏体铁，合金元素对层错能的影响也很显著，低层错能合金的高温强度较高。

9. 第二相强化的本质：第二相质点与位错的交互作用是合金第二相强化的本质。

10. 第二相强化机制：第二相质点强化是由两个相晶格错配产生的弹性应力场对位错运动施加的阻力，其作用完全与固溶强化中由溶质原子尺寸不同引起的弹性应力场的作用相似。

11. 高温合金γ’是如何强化其性能的?γ’相本身既有较好的强度又是可以产与变形的，不会由于吸出大量γ’或存在 大块γ’相而造成严重的脆性。

所以使得γ’相成为高温合金的主要强化相。

12. 碳化物时效强化的条件？1）具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性。

2）碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件。

高温合金精品PPT课件

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8
4.提高高温合金性能的途径和方法
(1) 结构强化
(2) 1) 固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、
钼 (3) 等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低
合 (4) 金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。
固溶强化与下列因素有关：
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。
形变速率显著增加，当达图中D点时，材
料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变
断裂时间越短。
图2 典型的蠕变曲线
7
提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动 过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶 界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。
(2) 抗腐蚀性
提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加 入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或 鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。
缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%~22% 和 w Cr = 20%~30%，以
及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，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，中温强度不如 镍基高温合金。
钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。
5
3.高温合金的高温性能要求
(High-temperature alloy)
1. 高温合金的定义和发展 2. 高温合金的特性和分类 3. 高温合金的高温性能要求 4. 提高高温合金性能的途径和方法 5. 高温合金的应用 6. 高温合金的未来 7.高温合金的制备工艺
1
1.高温合金的定义和发展
高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持 按设计要求正常工作的金属材料。

航空叶片材料——高温合金

高温合金高温合金又叫热强合金、超级合金。

按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和铬基。

按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。

按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。

一般用于航空发动机耐高温材料的制造，特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。

是重要战略物资，各航空大国都在极其保密的条件下研制。

随着科技事业的发展，高温合金逐渐形成六个较为完整的部分。

一、变形高温合金变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。

按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。

1、固溶强化型合金使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。

例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa 应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。

固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。

2、时效强化型合金使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。

制作涡轮盘的合金工作温度为-253～700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。

例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。

变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。

二、铸造高温合金铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。

其主要特点是：1. 具有更宽的成分范围由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。

高温合金


2.4.3.2 涡轮盘合金成分、组织和性能
• 涡轮盘的性能要求
– 高强度 – 高断裂韧性 – 抗初始裂纹能力 – 低的疲劳裂纹扩展能力。 – 抗蠕变？
Distribution of Contributing Factors to the Strength
Matrix (pure Ni) ~20% Solid solution + Tertiary γ ’ ~30% Secondary γ’ ~35% Grain Boundary + Primary γ’ ~15%
• FGH4095
– 镍基沉淀硬化型粉末高温合金，可在1050°C以下长 期使用
镍基高温合金中 的主要相
Typical nickel-base superalloys are variations of an austenitic nickel-chromiumtungsten (or molybdenum) matrix, further hardened by coherent particles of γ’(Ni3Al,Ti) with optional additions of cobalt, niobium, tantalum, zirconium, boron, hafnium, carbon, and iron. Single-crystal superalloys do not require grain boundary strengthening elements so that boron, carbon, zirconium, and hafnium are eliminated.
高温合金的微观组织
• γ相: 基体相 • γ’ 相: 主要强化相 • 镍基高温合金的典型组织是在基

高温合金概述

1.1 高温合金1.1.1 高温合金及其发展概况高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上温度，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。

高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Superalloy）。

高温合金于20世纪40年代问世，最初就是为满足喷气发动机对材料的耐高温和高强度要求而研制的，高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关，1939年英国Mond镍公司首先研究出Nimonic75，随后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作涡轮气发动机的叶片材料，此后该公司又在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。

如今先进航空发动机中高温合金用量已超过50%。

此外，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域得到广泛的应用。

高温合金在满足不同使用条件中得到发展，形成各种系列的合金，除传统的高温合金外，还开发出一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。

高温合金是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机等高温热端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，对材料的质量控制与检测非常严格。

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。

然而，这些材料在高温下极好的性能已使其用途远远超出了这一行业。

除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及汽车用途的涡轮发动机上。

具体的发动机部件包括涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧部件以及发动机螺栓。

除了燃气发动机行业之外，高温合金还被选择用于火箭发动机、宇宙、石油化工、能源生产、内燃烧发动机、金属成形(热加工工模具)、热处理设备、核电反应堆和煤转换装置。

高温合金材料的应用 ppt课件

课件
高温合金材料的简介
1. 高温合金概述 2. 高温合金的切削加工性
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1. 高温合金概述
高温合金的定义： 高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能在600℃以上的高温
及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。
性能特点：
⑴高温合金具有较高的高温强度； ⑵良好的抗氧化和抗热腐蚀性能； ⑶良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。
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变形高温合金：涡轮/高压压气机盘、鼓、轴、环 类零部件广泛采用的GH169合金和封严环形用的 GH90X系列低膨胀高温合金
高温合金涡轮外 环
发动机异型环
发动机涡轮外环
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2. 高温合金的切削加工性
高温合金的切削加工特点： 1.切削加工性差 2.切削变形大 3.加工硬化倾向大 4.切削力大且波动大 5.切削温度高 6.刀具易磨损 7.表面质量和精度不易保证
FWP14
FWP14
FWS10
WP7系列、WP13系列 WZ9、WJ9、WS11、WZ6、WP8 WP7系列、WP13系列
WP7、WP13系列、WZ9、WS11、WZ6、WP6甲、FWP14
WZ9、WP6、WZ6、WP7甲、WP7系列、WP13系列、FWP14、FWS10、WZ6
FWP14、FWS10、FWS10、YGY
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3.合理设置切削参数
在高温合金加工过程中，随着切削速度的增加，切削温度将会升高。 为避免切削温度过高，应采用较低的切削速度。
4.正确选择切削液
一般加工高温合金，宜选用极压油类，以降低刀具一切屑接触面产生 的粘结磨损。但为防应力腐蚀降低疲劳强度，加工镍基高温合金不宜用硫 (s)系极压切削液，可用乳化液、透明水基切削液。

高温合金讲义第十二章


Fe3Al和FeAl结构 Al和FeAl结构
在铝含量为25％～35％(原子)时，室温下稳定的Fe-Al系 金属间化合物具有DO3有序结构，空间群为Fm3m。
当量成分Fe3Al(25%(原子)Al)点阵常数为0.5780nm。随 着温度和铝成分的变化，该结构会以二级相变的方式部 分有序B2结构及无序α结构转变。 对于当量成分的二元Fe3Al金属间化合物，DO3→B2转 变温度约为550℃，B2→α有序转变温度约为980℃。 室温下含量为36.5%-50%(原子)时，构成B2有序结构的 二元FeAl金属间化合物合金，空间群为Pm3 m。点阵常数 随Al含量及热处理工艺发生变化(表18－1)。
金属间化合物产生水汽诱导环境脆性的基本规律
有序金属间化合物材料特征 有序金属间化合物组成组元中必须含有活性元素，如Al、 Si、Ti、V等。目前研究比较多的是Al化物、Si化物、Co3Ti、 (Co,Fe)3V等。而没有活性组元的Ni3Fe是没有环境脆性的金 属间化合物材料的代表。 不同金属间化合物的环境脆性表现与其结构特点有密切 关系。当金属间化合物的晶界结构具有容易引起晶界脆断 的结构特点时，容易产生沿晶脆断，当有明显的键性各向 异性而引起某些断裂强度低的解理面时，容易产生穿晶脆 断。因此单晶和多晶均可产生环境脆性。 不同金属间化合物的环境脆性严重性或敏感性不尽相同。
Fe3Al合金的管子可以用离心铸造方法获得，也可以热穿孔 方法获得，仔细控制热加工过程也可以得到质量良好的Fe3Al 丝、板等产品。 Fe3Al和Fe-Al合金的焊接是很关键的问题。可以用气体钨弧 焊(gas-tungsten arc 或GTA)和电子束焊(EB)成功地进行焊接， 但容易出现冷裂和热裂。 所谓冷裂是指焊好后几个小时或几天以后出现裂纹，研究 认为这种裂纹是环境诱导的氢脆，如果预先在200℃预热或焊 后进行400℃、1h去应力处理，可以减小冷裂发生。
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➢ TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替代一些昂贵的阻燃 Ti合金。
缺点：较低的抗损伤能力，其较低的室温塑性、断裂韧性 和高的裂纹扩展速率增加了失效的可能性。
-TiAl合金的应用
航空发动机应用
1993年，美国GE 发动机公司开始将 Howmat公司铸造的 Ti-47Al-2Cr-2Nb合 金低压压气机叶片 装在CF6－80C2做 1000个模拟飞行周 次考核，台架试车， 结果叶片完整无损， TiAl合金的延伸率 仅0.5%左右。
尽管国内外进行了十多年努力，立方结构的TiAl3基合金仍 然太脆，加上它的高温强度也不高，因而无法实际应用。
➢ Ti3Al ：后面讲 ➢ TiAl ：后面讲
DO22结构
-TiAl及其合金
-TiAl的特点
➢密度低，3.7-3.9g/cm3，仅及Ni基高温合金的一半， Ni基合金的比重为7.9-9.5g/cm3。对航空航天发动机 高温零件减轻重量十分有利。
孪晶关系的原子排列和电子衍射图。双相TiAl合金中的2Ti3Al和-TiAl的结晶学关系为：
(0001)
2
//
(111)
1120
2
//
1
1
0
两相TiAl合金2与的结晶学关系：
(0001)
2
//
(111)
1120
2
//
1
1
0
相应也有六种变体，见表13-4。
-TiAl的形成及其基本的固态相变
➢从液态TiAl冷却时可以有三种完全不同的凝固路线
孪晶：TiAl L10结构有两种孪晶： ➢真孪晶：所有原子的种类和位置都是孪晶对称的。第一 原理计算的真孪晶界为50-60J/mol。 ➢伪孪晶：原子的位置是严格的孪晶对称的，原子种类不 符合严格的孪晶对称要求，因此存在APB，伪孪晶界能 高达530mJ/mol。
有序畴的位向关系： TiAl L10结构中{111}上两个相邻的有序畴可能有6种位
➢滑移系：滑移面为{111}，滑移方向有<110]、<101]和 <112]。{111}面上的位错有1/2<110]和1/2<112]普通位错， 以及<011]超位错。1/2 <110] 的柏氏矢量最短，<011]超 位错可分解为两个1/2<011]偏位错夹一片反相畴(APB)。
➢原子沿三个不同位移矢量，即沿bA(1/2<101])、bc(1/b <211])和bs(1/6<112])运动就分别产生反相畴(APB)、复杂 层错(CSF)和内禀层错(SISF)。
向关系(和表示平行和反向平行)：
(A)的情况下，两个有序畴之间或者没有界面，或者形成一
个平移有序层错畴界。(B)和(C)是等价的，其界面是120旋
转有序层错畴界。相邻两个有序畴的c轴相垂直。(a)的情况是相当两相邻畴具有{111}<112>关系，是一种真孪晶关
系。(b)和(c)是等价的，是一种伪孪晶关系，下图给出了伪
*密度低，3.4g/cm3
*抗氧化性能好，Al含量为75％，是Ti-Al系中唯一能在空气 中生成Al2O3氧化膜的金属间化合物。 *比强度，比模量高
TiAl3 TiAl Ti3Al Ti Al E/ 0.63 0.47 0.28 0.27 0.26
*作为新型高温轻质材料一直受到关注 缺点：室温下很脆
-TiAl的基本特性 -TiAl的晶体结构及基本特性
➢晶体结构：L10结构， 空间群为P4/mmm，它是由[001] 方向上只有Al原子或者只有Ti原子组成的原子面交替重叠 排列而成，每个晶胞有4个原子，2个Ti原子，2个Al原子。 [100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向上的不同。TiAl晶体是一种面心四方结构，a=0.398nm，c=0.404nm， c/a=1.015，随Al含量增加在1.01-1.03之间变化。
1. 相凝固
多数TiAl基合金含Al量为46－47％，由液相冷却时将首先 形成相，并择优沿其C轴生长，形成柱状晶组织，在随后 冷两者却保过持程确中定，位从向柱关状系晶：中析出相，形成＋2板条组织：
(0001)2 //{111}和11202 // 110
相相之共间析的反位应向分关解系也，是所形有成的2＋板条相将板垂条直组于织。相由的于c轴相方和向 (柱状晶的生长方向)，最终得到的铸态组织有明显的各向 异性特征。当铸造具有复杂的形状TiAl部件时，这种柱状 晶织构将导致铸件不同部位性能的差异。
改善塑性的努力
➢微合金化：用微合金化来促进DO22结构TiAl3的{111}<112] 孪生或(001)<110]滑移，从而改善塑性，但未获成功。
➢宏合金化：加入第三元素，改变四方的DO22结构，使其 成为L12，从立方晶体所具有的独立滑移系数目来看，对 TiAl3变形性能的改善是十分有利的。
事实上，TiAl3中加入第四周期中从Cr到Zn以及某些第五、 第六周期元素，都能实现结构转变，在室温下都有相当 程度的压缩塑性。
➢ Ti2Al相
研究较少，而且它周围相区的情况还不十分确定。
➢ TiAl3相
即相c/a在畴=具2L.有界2132D获。超O点得22超阵。点结T阵i构A结l的3 的构(0点，01可阵)面看常引作数入是a位=L0移1.23超矢84点量8n阵为m的，1/2派c<=1生01.80结5>9的构6 ，，反
*熔点较低，1340℃
➢比刚性高，较航空发动机其他常用结构材料(包括高 温合金)高50％。高刚性有利于要求低间隙的部件， 如箱体、构件以及支撑件等。同时可以将噪声震动 移至较高频率而提高叶片等部件的寿命。
➢ 600-700℃良好的抗蠕变性能，比强度高，可能替换 某些Ni基高温合金部件，如涡轮盘、涡轮叶片等， 重量还可以减轻一半。
1996年，NASA的“AITP”计划，作GE－90发动机5级 和6级低压压气机叶片，取代Rene 77叶片，降低总重量 80kg。
此外，TiAl合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导梁等 应用也在逐步展开。
➢汽车应用 日本京都大学和川崎重工株式会社新开发的Ti-47Al-Fe-
B合金用作汽车用废气增压涡轮，外径80mm，代替镍基 高温合金重量减轻一半，台架试车结果表明，以TiAl合金 增压的发动机加速响应时间显著减少。这对于改善车用 发动机的加速瞬态响应特性，减少燃烧不充分造成废气 污染具有重要意义。