第三代单晶高温合金

航空耐高温材料综述摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。

因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。

关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机一．耐热材料发展的简述：早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。

1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。

在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。

直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。

这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。

地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。

Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。

40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。

二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。

二．现代航空耐高温材料现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。

提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。

Re 对 相粗化行为的影响马书伟 李嘉荣 侯淑娥 曾 强 郑运荣 颜鸣皋(北京航空材料研究院,北京100095)摘要:研究了三种不同Re 含量(wt%)的新型单晶高温合金(DD6+0R e 合金,DD6+1Re 合金,DD6+2Re 合金)在1100 下的 粗化动力学。

结果表明,Re 可以有效地阻碍 相的粗化,提高 相的粗化激活能,从而可以Re 改善单晶高温合金的高温力学性能。

关键词:Re;高温合金; 相粗化中图分类号:T G115.21 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2000)03 0011 05含Re(2%~6%)是第二代、第三代单晶的主要特征[1,2]。

可以说Re 在第二代、第三代单晶高温合金中起着决定性的作用,它的加入对单晶高温合金的高温力学性能有较大的影响。

例如:(1)单晶高温合金中加入Re 可显著提高蠕变强度[3],PWA1480的W 降低并加入1.35at%Re,可使PWA1480在1000 /200MPa 条件下的持久寿命由118h 提高到223h;(2)单晶高温合金加入Re,一般在较大程度上能改变其疲劳性能[2,4]。

目前,我国为了研究高性能发动机,正在研制第二代单晶高温合金(其设计Re 含量<3w t%)。

但是迄今为上,人们对Re 在高温合金中的作用机理认识还不够深入,如Re 的强化机制是什么?Re 如何影响到合金的高温力学性能?对这些问题深入研究无疑对新型合金的研制和应用具有较大的理论及实用意义。

考虑到 是高温合金的主要的强化相,它的分布状态以及大小都直接影响到材料的力学性能。

材料在使用过程中 相的粗化速率直接影响到高温合金的高温性能。

为此,本文研究了Re 元素的加入对 相的粗化行为的影响,探讨了Re 对高温力学性能的影响。

1 相的粗化动力学相的粗化过程是一个Ni 的过饱和固溶体的沉淀析出过程。

它是一个由扩散控制的粒子长大过程。

在这个粗化过程中,小的粒子不断消溶,大的粒子不断长大。

镍基单晶高温合金是近几十年来在少数发达国家中采用单晶技术生产的新型材料，该材料用做航空发动机叶片，可显著提高发动机的工作温度和发动机功率，对航空工业产品的更新换代具有重要的意义。

多年来人们在合金成分设计，冶金工艺，单晶制备，晶体缺陷及蠕变机制等方面进行了大量的研究工作，研究成果层出不穷。

到目前为止，已经有五代单晶高温合金相继问世。

而我国在单晶高温合金的研制方面，还处于落后状态。

单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同作用的结果。

因此，单晶合金成分、工艺的改变对合金的组织与力学性能的关系的影响是一个较为复杂的问题。

本工作的试验材料主要选用正在研制的低含徕的第三代单晶高温合金DD90，该合金具有高强度、低成本的特点。

研究其组织与性能之间的关系不仅可以为合金的研制提供直接图3.5为DD90合金在1320℃/4h，AC处理条件下的显微组织。

从图中可以观察到1320℃时合金在共晶区产生初熔。

由此可以确定合金初熔点为1320℃。

经过标准热处理后DD90合金在各种试验条件下的持久性能数据列于表3.4中。

可以看出:无论是在高温还是较低温度下，合金都具有较高的延伸率，说明该合金具有较好的塑性。

将试验所得的持久寿命的数据与典型第二代单晶高温合金CMSX-4的持久寿命比较发现，在几种持久条件下DD90持久性能远高于典型第二代单晶高温合金CMSX一4国外单晶合金的发展第一代：PW A1480 美F100-220ReneN4 美F110-129 CFM56-5SRR99 英RB211 RB199AM3 法M88-2ЖС32俄АЛ-31Ф第二代：PW A1484 美 PW4000系列V2500ReneN5 美 GE90CMSX-4 美 EJ200 RB211ЖС36俄 2%Re，不含Ta，持久强度却能达到第二代水平，原因之一就是加入稀土元素。

第三代：ReneN6 美CMSX-10 美（两种牌号铼的含量最高分别达5.6%、7%，难熔元素的总含量(Re、Ta、W、Mo)高达20%）TMS-75 日 Re含量5%第四代：RR3010 英 TrentTMS-138 日 2%RuMC-NG 法 4%Ru第五代：TMS-162 日 Ru含量6%1.高温合金高温合金是随着航空航天技术的发展需要而发展起来的一种高温结构材料，经过几十年的发展，各国均建立了各自的高温合金系列，主要用于发动机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等。

镍基单晶高温合金γ基体相通道研究
陈忠;田庚方;李天富;王子军;陈东风
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2024(53)6
【摘要】镍基单晶合金在高温下具备良好的力学性能,是航空航天及核能领域的关键材料。

通过对铸态、力加载及热处理状态的变化研究了第三代镍基单晶高温合金DD10的γ基体相通道演化,并对铸态样品利用四圆中子衍射做了单晶性检测。

结
果表明,DD10在[200]、[020]、[002]晶面的单晶性能良好;经力加载和热处理后γ基体相通道有序性增加,通道宽度增加,且在力加载的γ基体相通道中析出二次沉淀强化相;900℃热处理后,γ基体相通道中的Co、Cr元素含量显著增加,在相同的竖
直通道中Co元素含量一致;在相同的水平通道中Cr元素含量则保持一致;Mo、Re、W等微量元素经热处理后更多的从γ基体相通道中进入到沉淀强化相中。

【总页数】5页(P88-92)
【作者】陈忠;田庚方;李天富;王子军;陈东风
【作者单位】中国原子能科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TG166.7;TG146.15
【相关文献】
1.NiCrAlY涂层与镍基单晶高温合金基体的互扩散行为
2.基体厚度对PtAl涂层与
镍基单晶高温合金互扩散行为的影响3.应用d—电子合金设计理论发展新型抗热
腐蚀单晶镍基高温合金Ⅰ.相稳定性临界条件的确定4.镍基单晶高温合金γ′相筏化组织三维相场模拟研究
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简述中国国产第1~5代单晶⾼温合⾦第⼀代单晶⾼温合⾦：主要有DD2、DD3、DD4 (前三者研制单位：北京航空材料研究院)、DD26与DD26C(中国科学院)、DD402( 钢铁研究总院和南⽅航空动⼒机械公司 )、DD8( 中国科学院⾦属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室 )....等合⾦。

第⼆代单晶⾼温合⾦：DD6与DD398 (北京航空材料研究院)、DD5 (中国科学院⾦属研究所 )另外，国内研制的⽆Re合⾦,如DD99、DD98等,其性能相当于第⼀、第⼆代单晶的⽔平。

中国科学院⾦属研究所发明提供了⼀种⾼强抗热腐蚀镍基单晶⾼温合⾦DD-13，该合⾦的组成成分构成和各成分的质量百分含量为：Cr：10.0～15.0%，Co：8.0～12.0%，Mo：0.5～3.0%，W：3.0～6.0%，Ta：4.0～7.0%，Al：3.0～5.0%，Ti：3.0～5.0%，C：0～0.4%，其余为Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。

该合⾦不仅具有优良的抗热腐蚀性能，还具有较⾼的⾼温⼒学性能、良好的组织稳定性。

既可以适⽤于地⾯与舰⽤燃⽓轮机⾼温部件，⼜可以适⽤于航天、航空发动机⾼温部件。

中国科学院⾦属研究所研制提供⼀种⾼强度抗腐蚀镍基单晶⾼温合⾦M09A。

其化学成分为(重量百分⽐)：Cr11.0～15.0％，Co8.0～9.0％，Mo1.8～2.2％，W3.5～4.4％，Ta5.0～6.0％，Al4.0～5.4％，Ti2.5～3.5％，B0.004～0.007％，C0.01～0.03％，Ni余量。

该合⾦材料⾼温持久性能好，抗热腐蚀性能优异，组织稳定。

第三代单晶⾼温合⾦：DD9与DD10 ( 北京航空材料研究院先进⾼温结构材料重点实验室 )、DD32、DD33( 中国科学院⾦属研究所⾼温合⾦研究部) 、 DD90( 中国科学院⾦属研究所)第四代单晶⾼温合⾦：DD22 合⾦、中国科学院⾦属研究所发明⼀种⾼强度且组织稳定的第四代单晶⾼温合⾦，其特征在于:按重量百分⽐计，该合⾦的化学成分为:Cr 3～5%，Co 5～12%，W 6～8%，Mo 0.1～2%，Re 4.5～6%，Ru 2 ～4%，Al 5.5 ～6.5%, Ta 6 ～10%，其余为 Ni。

高温合金的固溶强化镍基、铁基和钴基高温合金中加入适量的合金元素，其原子统计均匀分布在奥氏体基体中，形成内应力场，同时，当奥氏体基体中出项溶质原子非均匀分布或存在短程有序，都构成位错运动的障碍，因此，位错运动的阻力比纯金属大，这就是固溶强化。

1.1固溶强化机理固溶强化机理可以通过位错克服长、短程内应力场、原子偏聚区和短程有序区等障碍而滑移所需的流变应力来说明。

1.1.1克服晶格畸变引起的长程内应力场所需的流变应力高温合金基体γ奥氏体，能够溶解大量合金元素。

例如，Ni基奥氏体，由于其3d电子层几乎被填满，因而能够溶解大量的Fe、Co、Mo、W、V、Ti、和Al等合金元素，这些元素的原子在基体中任意分布，其原子直径比Ni大，相差1%~13%。

因而，使Ni的晶格膨胀，使γ固溶体晶格常数增大。

晶格畸变形成长程内应力场，从而阻碍位错运动。

按照Mott和Nabarro理论，对于稀薄固溶体，位错克服长程内应力场而滑移所需的应力为：τ=Gε C （1-1）式中G为剪切模量，C为固溶原子溶度，ε为晶格失配度，由基体与溶质原子晶格常数之差来表示，即：ε=Δa/(C * a0 ) （1-2）式中a0为基体的晶格常数，从式（1-1）和（1-2）可见，固溶体的屈服强度应与晶格失配度即晶格常数的变化和溶度成正比。

然而，溶度受溶质元素在基体中溶解度限制，超过溶解度要析出第二相，使性能变坏。

从实验测得的Ni基二元合金晶格常数变化对屈服强度的影响见下图。

可见，屈服强度的增加的确与晶格常数的增加呈线性关系。

但不是晶格常数的单一函数，屈服强度的增加还与合金元素在周期表中的位置，即与合金元素的电子空穴数Nv有关。

电子空穴数Nv大者，屈服强度的增加要大。

例如在同一晶格常数变化下，Ti对屈服强度增加最大（Nv为6.66），CrMoW（4.66）次之，Fe（2.66）再次之，Co（0.66）最小。

这是由于加入合金元素能够降低γ基体的堆垛层错能，Nv值大者降低层错能大，屈服强度增加大，反之亦然。