根據現有理論,760℃高溫材料按基體元素主要可分為高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。根據強化方法,有固溶強化、沈澱強化、氧化物彌散強化和纖維強化。高溫合金主要用於制造航空、船舶和工業燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件,也用於制造航空航天器、火箭發動機、核反應堆、石油化工設備和煤炭轉化等能量轉換裝置。
760℃高溫材料的發展歷程自20世紀30年代後期,英、德、美等國開始研究高溫合金。第二次世界大戰期間,為了滿足新型航空發動機的需要,高溫合金的研究和應用進入了蓬勃發展時期。20世紀40年代初,英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量的鋁和鈦,形成γ素進行強化,研制出第壹種高高溫強度的鎳基合金。同時,為了滿足活塞式航空發動機渦輪增壓器發展的需要,美國開始用Vitallium鈷基合金制造葉片。
此外,美國還研制出因科鎳合金來制造噴氣發動機的燃燒室。後來,冶金學家為了進壹步提高合金的高溫強度,在鎳基合金中加入了鎢、鉬、鈷等元素,增加鋁、鈦的含量,開發了壹系列品牌的合金,如英國的“Nimonic”,美國的“Mar-M”和“IN”。在鈷基合金中加入鎳、鎢等元素,開發出了多種高溫合金,如X-45、HA-188、FSX-414等。由於鈷資源的缺乏,鈷基高溫合金的發展受到限制。
20世紀40年代,高溫合金也發展起來了。50年代出現了A-286、Incoloy901等品牌。但由於高溫穩定性差,從60年代開始發展緩慢。蘇聯在1950左右開始生產“эи”牌鎳基高溫合金,後來又生產了“эп”系列變形高溫合金和с系列鑄造高溫合金。我國從1956開始高溫合金的試制,逐步形成了“GH”系列變形高溫合金和“K”系列鑄造高溫合金。70年代,美國還采用新的生產技術制造定向結晶葉片和粉末冶金渦輪盤,研制單晶葉片等高溫合金部件,以滿足航空發動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。
760℃高溫材料變形高溫合金
變形高溫合金是指壹種可進行冷熱變形加工的合金,工作溫度範圍為-253 ~ 1320℃,具有良好的力學性能、綜合強韌性指標,以及較高的抗氧化性和耐腐蝕性。按其熱處理工藝可分為固溶強化合金和時效強化合金。GH後第壹位數字表示分類號,即1,固溶強化鐵基合金2,時效硬化鐵基合金3,固溶強化鎳基合金4,鈷基合金。GH之後,第二、三、四位數字表示序號。
1,固溶強化合金
使用溫度範圍為900 ~ 1300℃,最高抗氧化溫度為1320℃。比如合金GH128,室溫抗拉強度850MPa,屈服強度350MPa。1000℃抗拉強度為140MPa,延伸率為85%。在1000℃和30MPa應力下的持久壽命為200小時,伸長率為40%。固溶體合金通常用於制造航空和航天發動機的燃燒室和外殼。
2.時效強化合金
使用溫度為-253 ~ 950℃,壹般用於制造航空、航天發動機的渦輪盤和葉片。用於制造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,合金GH4169在650℃時的最高屈服強度為1000 MPa;;葉片的合金溫度可達950℃,如GH220合金,950℃抗拉強度為490MPa,940℃200 MPa耐久壽命大於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、環、棒、板、管、帶、線。[1]
760℃下用800 MPa級高溫材料鑄造高溫合金
鑄造高溫合金是指壹種可以或只能用於鑄造成形零件的高溫合金。其主要特點是:
1.它的成分範圍更廣。因為不必考慮其變形性,所以合金的設計可以集中於優化其使用性能。例如,對於鎳基高溫合金,通過調整成分可以使γ'含量達到60%或更高,使合金在高達合金熔點85%的溫度下仍能保持優異的性能。
2.它具有更廣闊的應用領域。由於鑄造方法的特殊優勢,可以根據零件的使用需要,設計制造出近凈形或無余量的任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據鑄造合金的使用溫度,它們可分為以下三類:
第壹類:用於-253 ~ 650℃的等軸鑄造高溫合金。這些合金在較寬的溫度範圍內具有良好的綜合性能,特別是在低溫下,能保持強度和塑性不變。如廣泛應用於航空、航天發動機的K4169合金,其抗拉強度為1000MPa,屈服強度為850MPa,650℃拉伸塑性為15%。在650℃和620MPa應力下的耐久壽命為200小時。它已被用於制造航空發動機中的擴壓器殼體和航空發動機中各種泵的復雜結構部件。
第二類:用於650 ~ 950℃的等軸鑄造高溫合金。這些合金在高溫下具有高的機械性能和抗熱腐蝕性能。如K419合金,抗拉強度大於700MPa,950℃時拉伸塑性大於6%。950℃200小時的極限強度大於230MPa。這種合金適用於航空發動機渦輪葉片、導向葉片和整體鑄造渦輪。
第三類:在950 ~ 1100℃使用的定向凝固柱狀晶和單晶高溫合金,在此溫度範圍內具有優異的綜合性能、抗氧化性能和抗熱腐蝕性能。例如,單晶合金DD402在1100℃和130MPa的應力下具有超過100小時的耐久壽命。這是我國使用的溫度最高的渦輪葉片材料,適用於制造新型高性能發動機的第壹級渦輪葉片。
隨著精密鑄造技術的不斷提高,新的特殊工藝不斷湧現。復雜薄壁結構的細晶鑄造技術、定向凝固技術和CA技術,大大提高了鑄造高溫合金的水平,不斷提高其應用範圍。
760℃800MPa高溫材料粉末冶金高溫合金
高溫合金粉產品是由高溫合金粉霧化、熱等靜壓或熱等靜壓後鍛造的生產工藝制成。采用粉末冶金技術,粉末顆粒細小,冷卻速度快,所以成分均勻,沒有宏觀偏析,而且晶粒細小,熱加工性好,金屬利用率高,成本低,特別是合金的屈服強度和疲勞性能大大提高。
抗拉強度為1500MPa的FGH95粉末冶金高溫合金;650℃時;在1034MPa應力下的持久壽命大於50小時,是650℃強度等級最高的壹種圓盤狀粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金能夠滿足高應力水平發動機的應用要求,是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤、渦輪擋板等高溫部件的首選材料。
1200℃100MPa高溫材料氧化物彌散強化合金
它是采用獨特的機械合金化(MA)工藝形成的特殊高溫合金,在高溫下超穩定的超細(小於50nm)氧化物彌散強化相均勻彌散在合金基體中。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍能保持,具有優異的高溫蠕變性能、優異的高溫抗氧化性能和抗碳硫腐蝕性能。
目前,已經商業化的ODS合金有三種:
MA956合金在氧化性氣氛中的使用溫度可達1350℃,在高溫合金的抗氧化性、抗碳和硫腐蝕性能中均居首位。可用於航空發動機燃燒室內襯。
MA754合金在氧化氣氛中的使用溫度可達1250℃,並保持相當高的高溫強度,耐堿玻璃腐蝕。現已用於制造航空發動機導向器的迷宮環和導向葉片。
MA6000合金抗拉強度為222MPa,屈服強度為192 MPa;在165438℃時。1100℃,1000小時,持久強度127MPa,居高溫合金之首,可用於航空發動機葉片。
金屬間化合物高溫材料
金屬間化合物高溫材料是壹類具有重要應用前景的輕質高溫材料。近十年來,金屬間化合物的基礎研究、合金設計、工藝流程開發和應用研究已經成熟,特別是在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al體系的制備加工技術、增韌強化、力學性能和應用研究方面。
Ti3Al基合金(TAC-1)、TiAl基合金(TAC-2)、Ti2AlNb基合金具有密度低(3.8 ~ 5.8g/cm3)、高溫強度高、硬度高、抗氧化和抗蠕變性能優異等優點,可使結構件重量減輕35 ~ 50%。Ni3Al基合金MX-246具有良好的耐蝕性、耐磨性和抗汽蝕性,顯示出良好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化性和耐磨性,中溫(600℃以下)強度高,成本低,是壹種可以部分替代不銹鋼的新材料。
環境高溫合金
在民用工業的許多領域,在役構件材料處於高溫和腐蝕環境中。為了滿足市場需求,根據材料的使用環境對高溫合金進行了分類。
1,超級合金母合金系列
2.耐腐蝕超合金板、棒、線、帶、管和鍛件。
3.高強度和耐腐蝕的高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板材、帶材和鍛件。
4、玻璃耐腐蝕產品
5、耐環境腐蝕、硬面耐磨高溫合金系列
6.特殊精密鑄件(葉片、增壓渦輪、渦輪轉子、導管、儀器接頭)
7.玻璃棉生產用離心機、高溫軸及附件。鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊及滑軌。
9.氣門座圈
10,鑄造“U”形阻力帶
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、恒彈性合金系列)
15,生物醫用材料系列產品
16,電子工程目標系列產品
17,電廠噴嘴系列產品
18,鎢鉻鈷合金耐磨薄板
19,超高溫抗氧化腐蝕爐輥,輻射管。