镍基复合材料 57-1

镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。

由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。

镍基复合材料主要用于液体火箭发动机中的全流循环发动机。

这种发动机的涡轮部件要求材料在一定温度下具有高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、与氧相容。

在目前正在研制的系统中这些部件选用镍基高温合金。

虽然用SiC 颗粒或纤维增强的复合材料可以达到高强度、高刚度和抗蠕变。

但在全流循环发动机的富氧驱动气体环境下，这些材料不能兼顾与氧的相容性。

发动机起动瞬变过程的热冲击环境，排除了涡轮叶片采用加涂层的材料系的可能。

因此，用整体材料制作的涡轮叶片，必须经受住富氧燃烧产物所形成的环境。

因为涡轮部件和涡轮盘在大约9min 运行中一般不用冷却，所以在短时运行中，整体材料温度达到730℃是正常的。

对某些设计，希望密度低于6.5g/cm3 的材料的强度要大于1040MPa。

应力、温度和化学环境都十分苛刻，要延长维修平均间隔时间(MTBR)使这些材料性能目标更难达到。

其它非旋转部件也必须经受住极端运行环境的考验。

喷注器面板、喷注壳体和预燃烧器在高温下都必须抗氧化、耐腐蚀、抗氢脆。

喷嘴调节和控制流入主燃烧室的推进剂流量。

预燃烧室是个小型燃烧室。

在这个燃烧室里，产生涡轮驱动气体。

在目前一些系统(其中一些被有效冷却)中，这些部件使用钴合金。

未来发动机的这些部件，预计有极端的热环境(气体温度接近918℃)和高达62MPa 的压力。

Si3N4 整体材料正在用作喷嘴壳体，但陶瓷壳体与金属推力室的匹配困难还没有解决。

由于喷嘴壳体的形状是轴对称的，所以早就有人建议这种壳体采用连续纤维增强的复合材料，但部件的匹配条件向连续纤维增强的复合材料提出挑战。

以下为两种比较典型的镍基复合材料及其主要性能：
（一）、镍基变形高温合金
以镍为主要基体成分的变形高温合金。

镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。

它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。

按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合
用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。

合金元素的作用：
铬在镍基变形高温合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蚀能力。

20世纪40～50年代发展的镍
基变形高温合金中铬含量高达18%～20%，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%～12%。

过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力
固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素。

弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。

强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。

也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。

组织特点：
主要的强化相是γ′(Ni3Al)相，含量达20%～55%左右。

另一类强化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡献远大于γ′相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。

加工方法：变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含γ′相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。

也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。

镍基铸造高温合金
以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、 K2等。

随着使用温度和强度的提高，高温合
金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。

另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产。

这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温
添加元素及作用：
镍基铸造高温合金以γ相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成γ′相进行强化，γ′相数量较
多，有的合金高达60%；加入钴能提高γ′相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ′相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。

缺点及克服方法
（1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用中组织稳定性有所下降；
（2）存在疏松，性能波动较大。

应用：镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。

镍基复合材料在水环境中的摩擦学性能及磨损机理研究
复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦降低了一半左右，磨损率仅为干摩擦下的1／15，水环境中，负荷和速度的变化对摩擦系数的影响不大，摩擦系数基本保持在0．28～0．32之间，磨损率随负荷和滑动速度的增加而不断增加。

磨损表现为机械微切削；摩擦副表面吸附水的边界润滑作用以及水的冷却作用使材料容易耗散摩擦热，塑性变形减小，严重粘着磨损明显减轻。

水的存在使不锈钢偶件更容易发生氧化，同时暴露于磨损表面的SiC以及由于水的渗透而导致与基体脱粘的SiC，易被氧化生成SiO2，进而SiO2发生水合反应在磨擦对偶表面生成不均匀的SiO2·nH2O水合反应膜，起到了一定的减磨润滑作用，显著降低摩擦系数和磨损率。

镍基纳米SiC复合镀层的摩擦学性能
为研究镍基纳米SiC复合镀层的摩擦学性能，在A3钢板上制备了该镀层，利用扫描电镀对镀层显微组织进行观察，通过纳米显微力学探针测量镀层微区硬度，在MM－200摩擦磨损试验机上对镀层进行磨损试验，研究阴极电流密度，温度和镀液中SiC浓度等主要工艺参数对镀层耐磨性能的影响。

结果表明：SiC颗粒在镀层中分布均匀：SiC颗粒附近镀层的硬度是纯镍镀层的3倍，但随着远离SiC，复合镀层硬度明显下降；复合镀层的耐磨性能与普通镍镀层相比有较大幅度的提高，在油润滑条件下磨损体积为普通镍镀层的1／8。

（二）、蓝宝石晶须蓝宝石杆
以单晶氧化铝为镍基复合材料的增强物具有高弹性模量，低密度，纤维形态的高强度、高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。

镍-蓝宝石反应性质的影响在高温下，蓝宝石和镍或镍合金将发生反应，这种反应与弥散强化型合金所用的Al2O3质点的稳定性观测结果相一致。

除非这种反应能均匀地消耗材料或在纤维表面形成一层均匀的反应产物，否则就会因局部表面降粗糙而降低纤维的强度。

镍基复合材料的制造和性能
制造镍基复合单晶蓝宝石纤维复合材料的主要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热。

这种方法通常称为扩散结合。

热压法成功的制造了Al2O3-NiCr复合材料，其最成功的工艺是先在杆上涂一层Y2O3（约1μm），随后再涂一层钨（约0.5μm厚）。

除了热压法制得的镍基复合材料外，人们还研究了其他方法制造的镍基复合材料的性能。

对粉末冶金法制得的材料进行的研究结果表明，在粉末压实过程中晶须因排列不当而大量断裂。

测得的性能很差，晶须体积比为23%的复合材料的室温强度最高只有690MPa。

其他方法制得的镍基复合材料的性能也不理想。