鎳基高溫合金

鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(含量一般大於50%) 在650～1000℃範圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代後期開始研製的。英國於1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研製出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國於40年代中期，蘇聯於40年代後期，中國於50年代中期也研製出鎳基合金。

基本介紹

• 中文名：鎳基高溫合金
• 簡稱：鎳基合金
• 溫度：650～1000℃
• 時間：30年代後期開始研製

發展過程

鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術的發展，為煉製含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代後期，由於渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，於是採用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的定向結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燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發展趨勢見圖1。

發展趨勢

鎳基高溫合金的發展趨勢

類別

變形

變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度範圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，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化型合金和時效強化型合金。
1、固溶強化型合金
使用溫度範圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用於製作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。
2、時效強化型合金
使用溫度為-253～950℃，一般用於製作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。製作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；製作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大於40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。

鑄造

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.具有更寬的成分範圍由於可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮最佳化其使用性能。如對於鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ’含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優良性能。
2.具有更廣闊的套用領域由於鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、製造出近終形或無餘量的具有任意複雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的範圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用於製作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用複雜結構件等。
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性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大於700MPa、拉伸塑性大於6%；950℃，200小時的持久強度極限大於230MPa。這類合金適於用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。
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範圍內具有優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的應力下持久壽命大於100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用於製作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、複雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，套用範圍不斷提高。

粉末冶金

採用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓後再經鍛造成型的生產工藝製造出高溫合金粉末的產品。採用粉末冶金工藝，由於粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無巨觀偏析，而且晶粒細小，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℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大於50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最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力水平較高的發動機的使用要求,是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

氧化物彌散

是採用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小於50nm)在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散於合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優良的高溫蠕變性能、優越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實現商業化生產的主要有三種ODS合金：
MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位。可用於航空發動機燃燒室內襯。
MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃並保持相當高的高溫強度、耐中鹼玻璃腐蝕。現已用於製作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片。
MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用於航空發動機葉片。

金屬間化合物

金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要套用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發以及套用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的製備加工技術、韌化和強化、力學性能以及套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)、高溫高強度、高鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點，可以使結構件減重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，展示出極好的套用前景。Fe₃Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小於600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不鏽鋼的新材料。

環境高溫合金

在民用工業的很多領域，服役的構件材料都處於高溫的腐蝕環境中。為滿足市場需要，根據材料的使用環境，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、耐玻璃腐蝕系列產品
5、環境耐蝕、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、渦輪轉子、導向器、儀表接頭)
7、玻棉生產用離心器、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、納米材料系列產品
13、輕比重高溫結構材料
14、功能材料(膨脹合金、高溫高彈性合金、恆彈性合金系列)
15、生物醫學材料系列產品
16、電子工程用靶材系列產品
17、動力裝置噴嘴系列產品
18、司太立合金耐磨片
19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

成分和性能

鎳基合金是高溫合金中套用最廣、高溫強度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩定性；二是可以形成共格有序的 A₃B型金屬間化合物γ'[Ni₃(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉澱強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉澱強化型合金。

·固溶強化型合金

具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，並有良好的塑性和焊接性等，可用於製造工作溫度較高、承受應力不大(每平方毫米幾公斤力，見表1)的部件，如燃氣輪機的燃燒室。

·沉澱強化型合金

通常綜合採用固溶強化、沉澱強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用於製作高溫下承受應力較高(每平方毫米十幾公斤力以上，見表2) 的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等。

組織

鎳基合金的顯微組織特點及其發展情況，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：γ'相數量逐漸增多，尺寸逐漸增大，並由球狀變成立方體，同一合金中出現尺寸和形態不相同的γ'相。在鑄造合金中還出現在凝固過程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不連續的顆粒狀碳化物並被γ'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。

現代鎳基合金的化學成分十分複雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素(尤其是主要強化元素)的含量嚴加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如σ、µ相，損害合金的強度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發展出了定向結晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片。

定向結晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行於應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，並進一步改善了合金的綜合性能。

生產工藝

鎳基合金，特別是沉澱強化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常採用真空感應爐熔煉，並經真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工採用鍛造、軋制工藝，對於高合金化合金，由於熱塑性差，則採用擠壓開坯後軋制或用軟鋼(或不鏽鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應爐熔煉母合金，並用真空重熔-精密鑄造法製成零件。

變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態和良好的綜合性能。