高温合金基本情况

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高温合金概述
高温合金是指能够在650℃以上长期使用的，具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性能、优异的拉伸、持久、疲劳性能和长期组织稳定性等综合性能的一类材料。
高温合金通常是以第Ⅷ主族元素（铁、钴、镍等）为基，加入大量强化元素而形成的一类合金。它是为了满足各种高温使用条件下的现代航空航天技术的要求而发展起来的，先进的航空航天发动机一直是显示高温合金生命力最活跃的领域。高温合金还广泛地应用于工业燃气涡轮机、核反应堆、潜艇、火力发电厂和石油化工设备。
下面扼要介绍几种高温合金的发展情况：
(1)铸造高温合金的发展
自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来，铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。众所周知，航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的，前者是后者的主要动力，后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。半个世纪以来，航空发动机涡轮前温度从20世纪40年代的730℃提高到90年代的1677℃，推重比从大约3提高到10,这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层。但是，高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140MPa/100h条件下的承温能力从750℃左右提高到当前的1200℃左右,是十分令人鼓舞的巨大成就。
(2)高温抗氧化合金的最新发展
人们通过大量的研究发现，合金表面形成的Al2O3保护层具有比Cr2O3保护层更佳的抗氧化能力，当温度高达1200～1350℃时，Al2O3保护层仍不易剥落。例如，Fe-Cr-Al电热合金含有高达5～8%的Al，能在高温形成单一Al2O3保护层，从而具有优异的抗氧化腐蚀性能，可是这种合金为铁素体基体,其脆性大、热强性低、冷加工困难，而且几乎不能焊接，使其在许多场合不能用作高温抗氧化合金使用。美国Hanes International Comoany在80年代末研制出一种具有优良高温塑性(相)的镍基抗氧化合金(Alloy214)，其最高使用温度为1260℃；国内在1994年研制出一种能在1200～1300℃的耐高温氧化腐蚀合金3YC52，其使用温度和性能可能是目前性能最好的合金。
由于目前已成功的研制出能在1200～1300℃使用的高温合金，且在许多对高温强度要求不高的场合成功使用，如高热电偶保护管材料等。但是,对于许多要求较高高温强度且同时又要求优异的高温抗氧化腐蚀的高温构件，上述高温合金的强度就难以满足要求，所以，如材料强度能再提高10～20%，则抗氧化类高温合金的使用范围将明显提高，但是，绝大多数强化元素对材料的抗氧化腐蚀性能都有不利影响，故其强化方式应从合金成分设计、冶炼方式、凝固控制等多方面加以研究，以期达到最佳效果。不难预测，随着科学技术的进一步发展，抗氧化腐蚀类高温材料的水平将进一步提高，同时，其将在国民经济中发挥更大的作用。
(3)镍基粉末高温合金的发展
粉末高温合金与传统的铸锻高温合金相比，具有组织均匀，无宏观偏析，以及屈服强度高、疲劳性能好等优点，用其制造涡轮盘等关键部件可以满足先进高推比发动机的要求。世界上粉末冶金高温合金工艺诞生于60年代末，历经三十多年的发展，粉末冶金高温合金工艺已进入崭新的发展阶段，成为当前高性能、高使用温度先进燃气发动机涡轮材料制造最成熟和最可靠的方法。镍基粉末高温合金涡轮盘已广泛用于美、俄、英等国各种先进航空发动机的研制和生产中，在粉末高温合金研究领域，美国和俄罗斯居于世界领先地位。
目前粉末冶金高温合金的工艺流程大致如下:预合金粉末的制造→压实(热压、热等静压、挤压等)→热加工变形(模锻、轧制、等温锻等)→机加工→无损检测→热处理。
粉末冶金高温合金工艺经过三十多年的研究和发展，在制粉和粉末处理工艺、成型工艺、热处理工艺等多方面都取得了显著的成绩，目前粉末高温合金已成为高推比先进航空发动机涡轮盘材等关键部件制造的首选材料，在美、俄等国得到普遍应用，今后在超细粉的制造工艺、真空脱气处理工艺、计算机模拟技术及新型粉末高温合金的研制等方面都将会得到深入和发展[3]。
(4)低膨胀高温合金发展的基础
现代低膨胀高温合金发展的基础基于两个方面，一是“因瓦效应”，二是“时效硬化”现象。1897年法国的Guillaume在寻找用于计量学标准的昂贵铂铱合金的替代品的工作中，发现了“因瓦效应”，既当Fe-Ni合金中Ni的含量在36%左右时，合金的热膨胀系数出人意料的出现了一个最低值，这一重要发现导致了因瓦（Invar）和金的诞生，也为整个低膨胀合金系列的发展奠定了基础。在此后的数十年中，由于精密仪器仪表行业和真空玻璃封装等行业的大量需求，低膨胀和定膨胀合金得到迅速发展，出现了Fe-Ni系，Fe-Ni-Co系， Fe-Ni-Cr系，Fe-Cr系等低、定膨胀合金。Scott等人发现在Fe-Ni合金中加Co，可使合金高温下的膨胀系数降低，并使居里点温度向高温推移，1930年据此发明了Ni-Co-Fe合金，即 Kovar合金。1911年，Wilm在Al-Cu-Mg合金中首次发现了“时效硬化”现象，1929年Merica等人申请了第一个高强度时效硬化Ni基合金专利。至此，现代低膨胀高温合金的两大基础条件已具备。随着时代的发展，低膨胀高温合金逐渐发展起来。
1932年，Austin等人研究了Ti时效硬化对Ni-Co-Fe合金的影响。1941年发展起来的Ni-Span合金（Ni-Fe-Cr-Ti）在一个狭小的温度范围内（约149℃）具有低膨胀性能和恒弹性模量特性，同时也具有时效硬化的高强度。1962年，Eiselstein等在发明了著名的Nb时效强化INCONEL718和金（Ni-Cr-Fe-Nb）的基础上，进行了无Cr的Ni-Co-Fe合金的研究工作，于1964年申请了可在480℃左右使用的具有恒弹性模量，低膨胀性能的Nb时效强化Ni-Co-Fe合金专利。Nb时效硬化合金的出现，使这类合金的热稳定性得到显著改善，使低膨胀高温合金具有了在航空航天业实用的可能性。
(5)单晶高温合金的发展
单晶高温合金是在20世纪60年代中期几乎与定向凝固柱晶合金同时出现的。当时，由于单晶合金与含Hf定向合金相比在力学性能上没有明显优势，加上其合格率低、成本高，使之未能获得应用。70年代中期，J. J. Jackson等人在研究MAR-M200+Hf合金时，发现980℃的持久寿命与细小相（≤0.5μm）γ′的量有很大关系，而增加细小γ′相的量的关键在于提高合金固溶温度。M.Gell等人根据这一重要发现，提出并实行了发展新型单晶合金的原则：去除C、B、Zr、Hf会降低合金初熔点的元素；大大增加难容元素Ta的含量；提高固溶温度，从而研制成功了耐温能力比定向合金PWA1422高25℃--50℃的单晶合金PWA1480，并立即应用于PW2037、JT9D-7R4等六种先进的军用和商用航空发动机，投入航线使用。从此，单晶合金的研究获得了突破性进展。美、英、法、俄、日等国纷纷投资研究，相继出现性能水平与PWA1480相当的Rene′N4，CM-SX-2/3，SRR99，AM1，KC32，并投入应用，称之为第一代单晶合金。从80年代以来，单晶高温合金一直沿着其独特的道路发展。随着合金设计理论水平的提高，成分不断改进，熔炼工艺优化，铸造技术进步，使其力学性能的提高一再获得突破，相继出现耐温能力比第一代单晶合金分别高约30℃和60℃的第二代和第三代单晶合金，并迅速应用到最先进的航空发动机和地面燃汽轮机上，标志着单晶合金的发展又进入新阶