鎳基高溫合金的發(fā)展綜述

梁爽　劉智鑫　李秋鶴

摘 要：本文簡要介紹了鎳基高溫合金的概況以及合金各元素成分設(shè)計的發(fā)展，其中難溶元素的比例逐漸增加，但促進了TCP相的生成，添加一定比例的Ru元素有抑制TCP相生成的作用。本文還探討了未來鎳基高溫合金將向著更強、更輕、更便宜、更耐腐蝕的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金的發(fā)展；Ru；Re；TCP相

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.031

1 引言

隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，高溫合金的開發(fā)與研究越來越被人們所關(guān)注。高溫合金是指能夠在600℃溫度以上條件下可以工作，并可以承受加大應(yīng)力，有一定耐腐蝕性、抗氧化性等良好高溫性能的合金[1]。高溫合金主要應(yīng)用在航空航天發(fā)動機中，其中渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、燃燒室等部件幾乎由高溫合金制成。按合金基體元素分類，高溫合金主要分為鐵基高溫合金，鈷基高溫合金以及鎳基高溫合金[2]。其中鎳基高溫合金擁有良好的組織結(jié)構(gòu)及蠕變性能，是作為航空發(fā)動機的首選材料。

2 鎳基高溫合金概述

鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，約有40%的高溫合金為鎳基高溫合金。鎳基高溫合金主要成分為Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，基體為鎳元素，含量在60%以上，主要工作溫度段在950℃-1100℃，在此溫度段內(nèi)服役時，其有較高的強度，較強的抗氧化能力以及抗腐蝕能力。鎳基高溫合金的發(fā)展始于英國的80Ni-20Cr合金，人們在其中添加了少量的Ti和Al，發(fā)現(xiàn)了強化相，繼而開啟了發(fā)展鎳基高溫合金的篇章[3]。60年代初期，人們發(fā)現(xiàn)合金的中溫性能較差，葉片在工作中有斷裂情況發(fā)生，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，合金中境界出雜質(zhì)較多，原子擴散速率較快，晶界成為在鎳基高溫合金服役中易發(fā)生裂紋的環(huán)節(jié)，基于這一問題，人們開始研究定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)就是使合金在生長過程中只沿應(yīng)力軸方向生長，具有代表性的合金是美國研制的PWA 1422。從此鎳基高溫合金的發(fā)展進入到新的時期[4]。但是隨著航空航天也的發(fā)展，對合金性能的要求越來越高，縱向晶界仍然是影響其高溫性能的主要病因。為了消除合金中的縱向晶界，選晶法和籽晶法這兩種制備合金方法于20世紀80年代相繼問世，從此鎳基單晶高溫合金開始登上歷史舞臺。到今天為止鎳基單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第5代。

3 鎳基單晶高溫合金成分設(shè)計發(fā)展

隨著鎳基單晶高溫合金的不斷發(fā)展，合金的成分有了很大的變化，具體特點如下：

（1）C、B、Hf等元素的添加。由于C、B、Hf等元素有晶界強化的作用，所以在早期的單晶鎳基合金中不添加這些元素，但是在近年的研究中卻發(fā)現(xiàn)，這些元素在不同合金中有一些特殊的作用，會在一定程度上提高合金的性能，所以之后發(fā)展的一些鎳基單晶高溫合金添加了極少量的C、B、Hf等元素；（2）難溶元素（Mo、W、Re、Ru）成分的不斷增加。第一代鎳基單晶高溫合金的難熔元素含量很少，DD3合金中僅含9%，之后難溶元素的含量不斷增加，第三代鎳基單晶高溫合金中的難溶元素達到了20%以上，到了第5代鎳基單晶高溫合金，難溶元素的含量達到了26.2%。Re元素從第一代的零添加，到第5代添加了6%，Re元素雖然比較昂貴，但對合金的高溫性能有較強的提高作用。Mo、W的含量基本沒有變化，這兩種元素可以起到固溶強化的作用[5]。W、Mo、Re都對鎳基單晶高溫合金的高溫性能有較強的增益作用，但這些元素也會促進TCP相的形成，所以如何在增加難溶元素含量的前提下，抑制TCP相的生成是當代鎳基單晶高溫合金設(shè)計的一個課題[6]。Ru元素是今年來進入人們視野的一種稀土元素，Ru元素的加入是當代鎳基單晶高溫合金發(fā)展的趨勢，Ru元素雖然也是難溶元素，但是它并不會促進TCP相的生成，反而促進合金成分的均勻化，抑制TCP相的生成；（3）Cr元素含量降低。Cr元素是抗腐蝕元素，研究表明當Cr含量在5%以下時合金的抗腐蝕及抗氧化性能急速下降[7]，但通過實驗人們又發(fā)現(xiàn)，CMSX-10合金雖然僅含2.3Cr，但其相關(guān)性能并沒有明顯下降，經(jīng)研究表明[8]，這是Re、Ta元素的添加造成的，這兩種元素也可以抑制元素的擴散速度，提高了組織的穩(wěn)定性，從而提高了抗腐蝕性能及抗氧化性能。同時，Cr元素可促進TCP相的生成[9]，所以從第二代合金開始，Cr含量大幅度的降低。

4 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

（1）更高的高溫性能。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機的性能要求越來越高，其所用的高溫材料需要更高的承溫能力，更高的蠕變性能；（2）更好的抗腐蝕性能、抗氧化性能。在合金設(shè)計中盡量少添加Cr元素，通過添加難溶元素來提高合金的抗腐蝕性能及抗氧化性能，或者進行表面防護涂層；（3）發(fā)展低密度的鎳基高溫合金。由于重量原因，發(fā)展低密度高溫合金非常有必要，尤其是葉片，葉片在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生較大的離心力，重量的增加會增大離心力，增加葉片的負載，從而降低葉片的使用壽命，所以發(fā)展低密度的鎳基高溫合金是很有必要的；（4）發(fā)展低成本的鎳基高溫合金。隨著鎳基高溫合金的不斷發(fā)展，Re元素的含量越來越大，而Re元素在地球上含量較少，價格較昂貴，如何通過Ru元素的添加來提高鎳基單晶高溫合金的性能從而減少甚至不添加Re元素已降低鎳基單晶高溫合金的成本是未來的發(fā)展趨勢之一。

參考文獻：

[1]胡壯麒，劉麗榮，金濤等.單晶鎳基高溫合金的發(fā)展[J].航空發(fā)動機，2005，31（03）：1-7.

[2]徐強，張幸紅，韓杰才等.先進高溫材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].固體火箭技術(shù)，2002，25（03）：51-55.

[3]張和善.國外航空結(jié)構(gòu)材料發(fā)展概況[J].航空制造工程，1997（11）：3-6.

[4]張祖謙，劉志中.渦輪葉片用高溫合金發(fā)展中的幾個問題[J].國際航空，1978（04）：43-48.

[5]謝錫善.我國高溫材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].機械工程材料，2004，28（01）：2-11.

[6]Sherby O D， Taleff E M. Influence of grain solute atoms and second-phase particle on creep behavior of polycrystalline solids. Materials and Engineering， 2002， A322： 89-99.

[7]Karunaratne M S A， Cox D C， Carter P， et al. Modeling ofthe microsegregation in CMSX-4 superalloy and its homogenization during heat treatment. In： Pollock T M eds. Superalloys 2000. Pennsylvania： Warrendale， 2000. 263-272.

[8]Carry C， Strudel J L. Apparent and effective creep parameter in single crystals of a nickel-base superalloy incubation period. Acta Metal， 1994， 41（9）： 767-777

[9]Lall C， Chin S， Pope D. The orientation and temperature dependence of the yield stress of Ni3（Al，Nb） single crystals. Metal Trans， 1979， A（10）： 1323-1331.

項目名稱：一種含2%Ru的單晶鎳基合金的組織與性能的研究。項目類別：青年項目自然科學。項目編號：QNL201513

作者介紹：梁爽，女，遼寧營口人，博士在讀，實驗師，研究方向：材料學。