鎳基高溫合金的研究和應(yīng)用

*王 睿

(江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)前黃高級(jí)中學(xué)國際分校 江蘇 213000)

鎳基高溫合金的研究和應(yīng)用

*王 睿

(江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)前黃高級(jí)中學(xué)國際分校 江蘇 213000)

鎳基高溫合金是通常以鎳鉻為合金基體,并根據(jù)具體需求加入不同的合金元素,從而形成的單一奧氏體基體組織.由于鎳元素在化學(xué)穩(wěn)定性、合金化能力和想穩(wěn)定性上的優(yōu)勢,鎳基高溫合金相對于鐵基和鈷基高溫合金具有更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗熱腐蝕性、組織穩(wěn)定性等性能.經(jīng)過幾十年發(fā)展和完善,我國高溫合金領(lǐng)域在合金設(shè)計(jì)方法、合金種類、冶煉和熱處理工藝、工業(yè)化管理等方面均取得了較大的進(jìn)展,而憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢,鎳基高溫合金已經(jīng)成為當(dāng)代航空航天和燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)中地位最重要的高溫結(jié)構(gòu)材料.本文主要從常見鎳基高溫合金分類、冶煉工藝和處理方式、強(qiáng)化機(jī)理以及合金化等方面,簡要介紹了鎳基高溫合金的主要研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用.

鎳基高溫合金;航空航天

1.引言

高溫合金特指以鎳、鈷、鐵或三者與鉻的合金為基體,能夠承受苛刻的機(jī)械應(yīng)力和600℃以上高溫環(huán)境的一類高溫結(jié)構(gòu)材料.它一般具有較高的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的抗蠕變性能和疲勞性能、優(yōu)良的抗氧化性和抗熱腐蝕性能、優(yōu)異的組織穩(wěn)定性和使用可靠性.

上個(gè)世紀(jì)50年代初,我國通過仿照前蘇聯(lián),自主研制并生產(chǎn)了出第一款高溫合金GH3030,從而拉開了我國對于高溫合金研究和應(yīng)用的序幕.20世紀(jì)60年代初,我國投入大量人力和物力研究高溫合金等軍工領(lǐng)域用材料,許多高溫合金的研究和生產(chǎn)中心在此時(shí)得以建立,并且引進(jìn)了大量的科研和檢測設(shè)備.這一階段,考慮到我國本身存在quot;缺鈷少鎳quot;的情況,因此我國在高溫合金領(lǐng)域特別是鐵基高溫合金上取得了前所未有的突破,研究和生產(chǎn)均出具規(guī)模,生產(chǎn)了諸如GH4037、K417等多個(gè)牌號(hào)的高溫合金.

但是由于基體本身化學(xué)和物理性質(zhì)的原因,鐵基高溫合金在多方面均遠(yuǎn)遜色與同成分的鎳基高溫合金,因此在改革開放后,鎳基高溫合金逐漸成為我國高溫合金研究和生產(chǎn)的主體,通過全面緊扣鎳原礦,引進(jìn)歐美技術(shù),我國在粉末鎳基高溫合金,單晶鎳基高溫合金和定向凝固柱晶高溫合金等尖端領(lǐng)域均取得了重大突破,先后推出了FGH系列粉末渦輪盤材料,第一、二代單晶鎳基高溫合金DD402、DD26等.

本文主要從鎳基高溫合金常見分類、冶煉和制備工藝、強(qiáng)化機(jī)理和合金化、實(shí)際應(yīng)用等幾個(gè)方面來簡要介紹了鎳基高溫合金的研究發(fā)展.

2.鎳基高溫合金的分類

鎳基高溫合金具有許多種類,通常按照成型工藝的不同,將其分為鑄造高溫合金和變形高溫合金.鑄造高溫合金由鑄造工藝制備,通常分為等軸晶、定向柱晶和單晶三種.而變形高溫合金普遍由粉末工藝制備,分為粉末高溫合金和彌散強(qiáng)化型高溫合金,通常具有良好的冷熱加工性能和力學(xué)性能.

(1)粉末高溫合金

利用粉末冶金工藝制造而成的高溫合金稱為粉末高溫合金.傳統(tǒng)鑄造-鍛造工藝制成的高合金化高溫合金,存在宏觀偏析嚴(yán)重、難于成型、疲勞性低等缺點(diǎn),因此在工藝生產(chǎn)中并未大規(guī)模使用.隨著粉末工藝的推廣,通過在真空或惰性氣體氣氛下,以制粉工藝將高合金化難變形高溫合金制成細(xì)小粉末,再通過不同的成形法制成目標(biāo)合金.由于晶粒細(xì)小、成分均勻、微觀偏析輕微,故相對于傳統(tǒng)鑄造合金,粉末高溫合金往往在熱加工性能,屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能上均得到較大提升.目前我國常用的粉末高溫合金主要有FGH系列等,其中80年代研制的FGH95是目前強(qiáng)度最高的粉末高溫合金.

(2)定向柱晶高溫合金

通過定向凝固技術(shù),使得合金內(nèi)的橫向晶界被消除,制備出只保留了平行于主應(yīng)力軸的單一晶界的合金稱為定向柱晶高溫合金.定向凝固柱晶工藝通過螺旋選晶器或籽晶法,只允許一個(gè)柱狀晶生長,可制成消除一切晶界的單晶渦輪葉片或?qū)蛉~片.定向柱晶高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,并且相較于單晶高溫合金,工藝更為簡單、制作成本和檢驗(yàn)成本也更低,因此定向柱晶高溫合金被廣泛應(yīng)用于渦輪葉片的制造.

(3)單晶高溫合金

采用定向凝固工藝消除所有晶界的高溫合金稱為單晶高溫合金.單晶高溫合金同樣采用定向凝固技術(shù),但是在型殼設(shè)計(jì)上增加了單晶選擇通道.由于合金內(nèi)一切晶界被消除,合金化程度很高,其高溫強(qiáng)度、疲勞性能等力學(xué)性能相對于等軸晶和定向柱晶高溫合金有了大幅度的提高,因此在尖端航空領(lǐng)域,單晶高溫合金得到廣泛應(yīng)用,比如美國F35戰(zhàn)斗機(jī)渦輪葉片所采用的的即使第三代鎳基單晶高溫合金CMSX-10.但是單晶高溫合計(jì)由于制造成本相對較高、工藝復(fù)雜,因此使用受到局限.

3.常見的鎳基高溫合金的制備方法

不同種類的鎳基高溫合金采用的制備方式截然不同,定向柱晶高溫合金和單晶高溫合金均采用定向凝固技術(shù),粉末高溫合金采用粉末冶金工藝方法生產(chǎn),而傳統(tǒng)的鑄造高溫合金采用鑄-鍛工藝生產(chǎn).粉末高溫合金和單晶高溫合金是時(shí)下應(yīng)用最前沿的兩類鎳基高溫合金,因此對于其制備方法的研究是具有直接代表意義的.

(1)定向凝固技術(shù)

制備單晶高溫合金和定向柱晶高溫合金通常采用定向凝固技術(shù),二者差別在于單晶高溫合金往往會(huì)增設(shè)單晶選擇通道.現(xiàn)在常用的定向凝固技術(shù)有,高速凝固法(HRS)、液態(tài)金屬冷卻法(LMC)、發(fā)熱劑法(EP)和功率降低法(PD)等,這其中高速凝固法和液態(tài)金屬凝固冷卻法是目前應(yīng)用最廣的制造工藝.

高速凝固法(HRS)通過在加熱區(qū)底部增設(shè)了隔熱擋板,并且在水冷底盤添加水冷套,使?jié)沧⒑笮蜌づc加熱器之間發(fā)生了相對移動(dòng),增大了擋板附近的溫度梯度,從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化組織,消除晶界各異性的目的.

液態(tài)金屬冷卻法(LMC)則是通過加入一個(gè)冷卻劑槽,通常以錫為冷卻劑.當(dāng)合金熔體澆注成型后,將其從加熱器中移出并逐漸勻速浸入到液態(tài)錫冷卻劑中,這樣在合金凝固表面和內(nèi)部形成了較大的溫度梯度,促使晶粒以單一方向生長.通過控制諸如冷卻劑溫度、浸入速率等參數(shù)可以調(diào)整合金的晶粒尺寸.

(2)粉末冶金工藝

粉末冶金工藝通常分為粉末制備和粉末固結(jié)兩個(gè)階段.目前在實(shí)際生產(chǎn)中的粉末制備工藝主要采用氣體霧化法和旋轉(zhuǎn)電極法.氣體霧化法又被稱為AA法,首先將真空熔煉過的母合金加入到霧化設(shè)備中,在真空環(huán)境下進(jìn)行重熔,熔解的合金經(jīng)由漏嘴流出后,在高壓氣體流的沖擊下被霧化成粉末,其中氬氣是最常用的氣體.旋轉(zhuǎn)電極法則是將合金料在高速旋轉(zhuǎn),利用固定的鎢電極產(chǎn)生等離子弧來連續(xù)熔化合金料,這樣在離心力的作用下,形成的液滴飛出形成了細(xì)小的粉末.

粉末制備成功后,需要進(jìn)行固結(jié)以便成形.由于傳統(tǒng)的高溫合金粉末中往往含有難燒結(jié)且易氧化元素,因此在傳統(tǒng)的直接燒結(jié)工藝下成形相當(dāng)困難,必須引入高溫高壓氣氛.目前常見的粉末固結(jié)方式有真空熱壓成形、熱等靜壓成形、熱擠壓和鍛造、電火花燒結(jié)等成型方法,其中熱等靜壓和熱擠壓是國內(nèi)常用的兩個(gè)工藝.

4.鎳基高溫合金的強(qiáng)化機(jī)理

鎳基高溫合金的強(qiáng)化效應(yīng)通常組織強(qiáng)化和工藝強(qiáng)化兩種.第一種是因?yàn)楦邷睾辖鹬械暮辖鹪睾突w元素相互作用,引起組織的變化而產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng).工藝強(qiáng)化是通過改良生產(chǎn)工藝、處理方式、鍛造工藝等來實(shí)現(xiàn)對高溫合金性能的提升.眾多強(qiáng)化方式中,合金化對于高溫合金性能的改變尤為重要.

鎳可以通過固溶、形成第二相等方式與加入的合金元素相互作用,其中常見的合金元素有Cr,W,Mo,Re,Al,Ti,Ta,C,B,Zr和稀土元素等十余種合金元素,這些元素在合金中起著不同的作用.Cr是鎳基高溫合金中含量相對較高的一個(gè)元素,它以固溶態(tài)存在于基體中,從而改善鎳基高溫合金的抗氧化性和抗熱腐蝕性.W和Mo通過提高擴(kuò)散激活能,降低合金中的擴(kuò)散,從而增強(qiáng)原子間結(jié)合力,提高合金的硬度和高溫強(qiáng)度.Al是最主要的γ'相形成元素,且在高溫下能形成保護(hù)性的氧化膜,提高合金的抗氧化性能,因此Al也常被用于表面化處理.其他如C,B,Zr和稀土元素等微量元素,在鎳基高溫合金中的含量均在1%以下,但是也起著很強(qiáng)的作用.

5.結(jié)語

經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展,鎳基高溫合金雖已經(jīng)在多個(gè)方面均取得較大的突破,但為了滿足航空、航天領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅芨邷睾辖鸩牧喜粩嘣黾拥男枨?也為了應(yīng)對相關(guān)領(lǐng)域的國際競爭,增加我國的制空競爭力,在以后得研究中仍得從以下幾個(gè)方面加強(qiáng):(1)建立和完善更有效的合金設(shè)計(jì)方法,通過調(diào)整合金元素的比例,改善制造工藝來得到強(qiáng)度更高,質(zhì)量更輕,成本更低的鎳基高溫合金;(2)應(yīng)該對尖端高溫合金諸如第三代單晶高溫合金、第五代粉末高溫合金的研制,改善制備工藝,使得這類合金的性能和質(zhì)量更加穩(wěn)記錄并完善合金的性能和數(shù)據(jù);(3)要擴(kuò)大應(yīng)用范圍,擴(kuò)展對于民用燃?xì)廨啓C(jī)中高溫合金的研制和開發(fā).

總之,鎳基高溫合金是航空航天領(lǐng)域發(fā)展的核心關(guān)鍵,高溫材料的強(qiáng)度決定了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和性能,因此研究鎳基高溫合金是認(rèn)識(shí)材料領(lǐng)域,了解我國乃至世界航空航天領(lǐng)域發(fā)展,探索我國國防事業(yè)的一塊敲門磚.

[1]郭建亭.高溫材料學(xué)[J].北京:科學(xué)出版社,2010.06.

[2]張義文.粉末高溫合金研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2013年第1期.

[3]孫曉峰.鎳基單晶高溫合金研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2012年第12期.

[4]王斌,Al對高溫合金高溫抗氧化性能的影響[J].材料熱處理技術(shù),2012年5月.

王睿,男,江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)前黃高級(jí)中學(xué)國際分校;研究方向:材料類.

Research and APplication of Nickel - Based High Temperature Alloy

Wang Rui
(Qianhuang High School International Branch, Wujin District, Changzhou City, Jiangsu Province, Jiangsu, 213000)

Nickel-base high-temperature alloys are usually made of nickel-chromium alloy and different alloy elements are added according to specific requirements, thus forming a single austenitic matrix. Because of the advantages of chemical stability, alloying ability and relative stability of nickel element, Nickel-base high-temperature alloys has more excellent high temperature strength, fatigue resistance, thermal properties, such as corrosion resistance, stability of the organization. After decades of development and improvement, the high temperature alloys in China have made great progress in the aspects of alloy design methods, alloy types, smelting and heat treatment processes, industrialization management, etc. With their unique advantages, Ni - based superalloys have become the most important high temperature structural materials in the aerospace and gas turbine industries. In this paper, the main research progress and practical application of nickel-based superalloy are briefly introduced from the aspects of classification, smelting process and treatment, strengthening mechanism and alloying of common Ni - based superalloys.

nickel-base high-temperature alloys;aerospace

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