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GH1015高温合金钢
  高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料;并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。
  基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度较高,又被称为“超合金”,是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。
  1、铸造冶金工艺
  目前各种先进铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善,如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等,原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。
  不含或少含铝、钛的高温合金,一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时,元素烧损不易控制,气体和夹杂物进入较多,所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量,改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织,可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉;重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣炉。
  固溶强化型合金和含铝、钛低(铝和钛的总量约小于4.5%)的合金锭可采用锻造开坯;含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯,然后热轧成材,有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。
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  2、结晶冶金工艺
  为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松,近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长,以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外,为了消除全部晶界,还需研究单晶叶片的制造工艺。
  3、粉末冶金工艺
  粉末冶金工艺,主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。
  4、强度提高工艺
  ⑴固溶强化
  加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变,加入能降低合金基体堆垛层错能的元素(如钴)和加入能减缓基体元素扩散速率的元素(钨、钼等),以强化基体。
  ⑵ 沉淀强化
  通过时效处理,从过饱和固溶体中析出第二相(γ’、γ"、碳化物等),以强化合金。γ‘相与基体相同,均为面心立方结构,点阵常数与基体相近,并与晶体共格,因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出,阻碍位错运动,而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物,A代表镍、钴,B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨,而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强:
  ①增加γ‘相的数量;
  ②使γ’相与基体有适宜的错配度,以获得共格畸变的强化效应;
  ③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能,以提高其抵抗位错切割的能力;
  ④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ"相为体心四方结构,其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变,使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃,强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相,而用碳化物强化。
  传统的划分高温合金材料可以根据以下3 种方式来进行: 按基体元素种类、合金强化类型、材料成型方式来进行划分。
  1、按基体元素种类
  ⑴铁基高温合金
  铁基高温合金又可称作耐热合金钢。 它的基体是Fe 元素,加入少量的Ni、Cr 等合金元素,耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。
  ⑵镍基高温合金
  镍基高温合金的含镍量在一半以上,适用于1 000℃以上的工作条件,采用固溶、时效的加工过程,可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。目前就高温环境使用的高温合金来分析,使用镍基高温合金的范围远远超过铁基和钴基高温合金用处。同时镍基高温合金也是我国产量最大、使用量最大的一种高温合金. 很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室,甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料。半个多世纪以来,航空发动机所应用的高温材料承受高温能力从20 世纪40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃应该说,这一巨大提升也促使铸造工艺加工及表面涂层等方面快速发展。
  ⑶钴基高温合金
  钴基高温合金是以钴为基体,钴含量大约占60%,同时需要加入Cr、Ni 等元素来提升高温合金的耐热性能,虽然这种高温合金耐热性能较好,但由于各个国家钴资源产量比较少,加工比较困难,因此用量不多。通常用于高温条件( 600 ~ 1 000℃) 和较长时间受极限复杂应力高温零部件,例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能,一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co,以保证其优越的抗热抗疲劳性。
  2、合金强化类型
  根据合金强化类型,高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。
  ⑴固溶强化型
  所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中,形成单相奥氏体组织,溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变,使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能,提高位错分解的倾向,导致交滑移难于进行,合金被强化,达到高温合金强化的目的。
  ⑵时效沉淀强化
  所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理,冷塑性变形后,在较高的温度放置或室温保持其性能的一种热处理工艺。例如:GH4169 合金,在650℃的最高屈服强度达1 000 MPa,制作叶片的合金温度可达950℃。
  3、材料成型方式
  通过材料成型方式划分有:铸造高温合金( 包括普通铸造合金、单晶合金、定向合金等) 、变形高温合金、粉末冶金高温合金( 包含普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金)。
  ⑴铸造高温合金
  采用铸造方法直接制备零部件的合金材料叫铸造高温合金。根据合金基体成分划分,可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金3 种类型。按结晶方式划分,可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4 种类型。
  ⑵变形高温合金
  目前仍然是航空发动机中使用最多的材料,在国内外应用都比较广泛,我国变形高温合金年产量约为美国的1 /8[2]  。以GH4169 合金为例,它是国内外应用范围最多的一个主要品种. 我国主要在涡轮轴发动机的螺栓、压缩机及轮、甩油盘作为主要零件,随着其他合金产品的日益成熟,变形高温合金的使用量可能逐渐减少,但在未来数十年中仍然会是占主导地位。
  ⑶新型高温合金
  包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域.
  ①第三代粉末高温合金的合金化程度提升,使其兼顾了前两代的优点,获得了更高的强度较低的损伤,粉末高温合金生产工艺日趋成熟,未来可能从以下几个方面开展: 粉末制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉末盘;
  ②钛铝系金属间化合物已经开发到第四代,逐步向着多元微量和大量微元这两个方向拓展,德国的汉堡大学,日本京都大学,德国的GKSS 中心等都进行了广泛的研究,钛铝系金属间化合物现已应用于船舶、生物医用、体育用品领域;
  ③氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金一部分,正在生产研制的有近20 余种,具有较高的高温强度和低的应力系数,广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、先进航空发动机、石油化工反应釜等;
  ④耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢,应用于建筑及航天航空领域。
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