探讨高温合金论文Word文件下载.docx

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目前主要分为铁基高温合金、银基高温合金和钻基高温合金。

因其往往使用于工业及航空航天材料关键部件，对力学性能要求较高，因此对高温合金的强化机理研究意义重大。

目前一般多采用析出相的沉淀硬化作为其主要的强化手段，但这种强化手段往往存在高温下析出相聚集长大或固溶于基体的问题，最终导致材料在高温下失去强化作用，限制了高温合金的使用温度。

由此可见，在高温合金材料中引入新的强化因素是提高性能的一个重要途径。

原子团簇研究是近年来国际上出现的一个十分活跃的重要领域，它是指有几个至几百个，甚至几千个原子组成的聚集体。

原子团簇包括金属团簇、非金属团簇、金属-非金属团簇等体系。

由于其尺寸效应，原子团簇有着许多特殊的性质，如电子壳层能带结构并存、气固相并存与转化、量子尺寸效应、极大的表体比效应、异常的化学活性和催化特性等。

近年来，团簇科学与其他学科已有着许多很有意义的交叉，促进了相关学科的发展。

开展高温合金中纳米原子簇的研究，可以使已有的团簇科学成果获得更广泛的应用，同时也使原子团簇科学的内容更加丰富。

目前，还只是通过机械合金化（MA）合成的方法，经过热变形与热处理，在铁基合金中引入了纳米原子团簇。

图1-1iWj温合金的应用温度范围【9】--赵大鹏

1.2铁基高温合金的发展与应用前景

氧化物弥散强化（oxidedispersionstrengthened,ODS）高温合金是一类粉末高温合金，是将细小的氧化物颗粒（一般选用Y2O3）均匀地分散于高温合金基体中，通过阻碍位错的运动而产生强化效果的一类合金，其使用温度如图1-2oY2O3具有很高的熔点（2417℃）,且不与基体发生反应，所以具有非常好的热稳定性和化学稳定性，其强化作用可以维持到接近合金的熔点温度。

因此，ODS高温合金的使用温度可以达到或超过0.9Tmo

高温合金粉末的制备有三种制粉工艺：

气体雾化法，旋转电极法，真空雾化法。

而ODS高温合金粉末的制备方法与上述制粉方法有着本质的差异，其关键是将超细的氧化物质点均匀分散于合金粉末中。

常用的三种方法是⑴内氧化法：

（2）化学共沉淀法；

（3）机械合金化（MA）法。

松散的高温合金粉末只有通过固结工艺，才能得到完全致密化的材料。

固结的主要方法有真空热压，热等静压（HIP.）,热挤压和锻造等。

社会发展导致能源需求持续增长，加之传统化石能源日益枯竭的背景下，核能成为人们关注的重点。

然而如何安全利用核能确实一个摆在人们面前的难题，因为核反应堆有着极为严酷的工作环境：

高温、高应力、高化学活性和强烈的中子辐射[19,20]o在国际原子能机构支持下，由美国、欧共体（现欧盟）、日本和俄罗斯四方合作设计建造的国际热核实验堆（ITER）已于1990年完成了概念设计，1992年开始了工程设计研究，预计于2010年建成，其装置示意图见图l-2o

图1-2国际热核聚变实验堆结构示意图

由图1-2可见，第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件，第一壁材料在使用中需在聚变堆苛刻的辐射.、热、化学和应力工况下保持结构完整性和尺寸稳定性。

材料在强烈的中子辐射下会产生大量的缺性、辐射嬉变副产物和气泡，中子辐射引起的材料变质如图1-3所示。

图1-3中子引起的材料辐射效应[3]

低活性铁素体/马氏体（RAFM）是DEMO聚变堆第一壁和包层结构材料的主要候选合金，与现在被考虑作ITER（m际热核实验堆）结构材料的奥氏体不锈钢相比，它具有较好的热物理性能。

Fe.（7.9）Ci•铁素体/马氏体钢从抗辐射，抗相不稳定性和抗韧性.脆性转变温度（DBTT）升高观点来看，是很有前途的合金。

L3机械合金化方法制备氧化物弥散强化（ODS）铁基高温合金

目前的制备工艺流程大致如下：

制粉-固结（热挤压、热等静压）-热机械加工（模锻、轧制、挤压、等温锻造等）■热处理-探伤检验、成材。

铁基ODS高温合金也基本上遵循这个工艺流程。

1.制粉

机械合金化（MechanicalAlloying,简称MA）是一种制备合金粉末的高新技术［9］,也叫机械球磨或高能机械球磨.。

现在ODS高温合金都是采用MA技术将超细的氧化物颗粒均匀地分散到合金基体中。

含有弥散氧化物颗粒的机械合金化粉末经固结处理后，便可得到密实的合金材料。

目前，ODS高温合金都是采用MA技术将超细氧化物颗粒均匀分散到合金基体中，以达到原子级别的混合。

将组成合金的原料粉末和氧化物弥散相粉末，按要求的配比装入高能球磨机内，在惰性气体保护下经长时间的研磨，便可得到机械合金化粉末，其中原料粉末可以是预合金粉或者是部分预合金粉。

影响机械合金化效果的主要因素是球料比、球磨机转速和球磨时间等。

对于不同的合金应选用与之相应的机械合金化参数，使原料粉末的冷焊和破碎过程能较好地匹配，这不仅可以达到理想的合金化效果，而且可以保证较高的出粉率。

2.热致密化

ODS高温合金一般采用热等静压（HIP）与热挤压工艺实施固结。

HEP是以惰性气体为压力介质，把粉末压坯或粉末包套（把装入特制容器内的粉末体）置入热等静压机高压容器中，使其在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用使材料致密化［10］。

HIP工艺参数主要包括温度、压力和保压时间。

HIP压力应高于相应温度下的屈服应力，使颗粒尤其是小颗粒产生一定的变形，HIP的保压时间应足以消除残余孔隙，保证完全致密，改变HIP固结工艺参数会影响塑性变形或蠕变起主导作用的致密化模式，并进一步影响到显微组织。

因此，为了得到预想的组织和性能的产品，必须对HIP工艺进行严格的控制。

采用热挤压工艺时，可以将粉末包套直接挤压成型，也可以将合金粉末密实化以后再进行二次挤压成型。

热挤压是一种较好的致密化工艺，它综合了热压缩和热加工变形的特点，由此可以获得完全致密的材料，挤压锭的组织沿径向是不均匀的，中心组织粗大，边缘组织细小，挤压时合金晶粒尺寸受控于挤压温度、挤压比等参数。

在挤压过程中大的形变量及切剪效应可碎化夹杂物，因此挤压件的组织结构与原颗粒尺寸的关系不大，挤压后细晶组织，可以实现超塑性成型，形变抗力低，有利于后续的锻造工艺。

最近也有实验采用传统粉末冶金的方法，进行模压、烧结，制得相应的材料，然后进行热变形加工，使其致密化，以期获得ODS高温合金。

3.热机械加工

热机械加工的目的有两个，首先是为了获得所需形状的产品，其次是产品获得最合适的储能，以便在以后的二次再结晶处理时，获得粗大的各向异性的晶粒结构，从而提高高温力学性能［5］。

粉末高温合金过去从简化工艺的角度上考虑，曾采用热等静压过不经热加工的直接成型工艺，但由于热等静压时难免会有不致密的缺陷存在，因此倾向于经过热加工变形的工艺，以提高致密度，消除缺陷等目的。

ODS高温合金也需经过这一阶段的工艺。

常见的热加工工艺有锻造、轧制、挤压等。

近来有研究表明在热加工过程中还可以形成弥散分布的新的超细氧化物颗粒口1］口2］。

4,热处理

ODS合金进行的热处理一般是再结晶退火，以期达到消除加工变形加工的残余应力和得到粗大的晶粒组织。

合金的高温持久性能随晶粒长径比的增大而增加，长径比一般应在10:

1以上，为了得到大的长径比，有的合金（如MA6000）还要进行区域退火处理。

退火温度一般在1250℃到1350℃之间。

在再结晶退火过程中，往往会产生织构。

热处理可以合理调整合金强化相的数量、形5高温合金论文导读：

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态、尺寸及分布，进一步发挥合金的性能潜力，可获得良好的综合力学性能，高温合金的热处理包括固溶处理和时效处理。

固溶处理和时效处理对改善合金的组织和性能有很重要的影响，经过固溶处理和时效处理后合金的性能会有很大程度的提高。

近来有文献报道，在热处理前，纳米团簇分布比较均匀，热处理后，在原始晶界处生成了纳米团簇，使得团簇的分布不均匀了，并且生成了团簇胞口引。

高温合金也经常采用形变热处理的方法，来改善合金的性能。

形变热处理是指使高温合金产生适当的变形，直接在低于再结晶温度进行时效或退火，保留变形后的组织结构，与时效后的组织结构相结合，显著提高高温合金的强度和塑性，实现强韧化。

5.探伤检验、成材

经过热处理后的试样可以进行机加工，经过探伤检测后就可以成材了。

1.4粉末冶金铁基高温合金的组织

1.4.1铁基高温合金中的微观组织与缺陷

粉末高温合金与传统的铸锻高温合金的缺陷有所不同，它主要是由粉末冶金工艺带来的，其主要类型有：

氧化物夹杂、异金属夹杂、孔隙和原始颗粒边界等。

原始颗粒边界的形成是在热等静压或热挤压之前的加热过程中，合金粉末表面由于氧化形成了碳-氮氧化物薄膜，阻碍了粉末颗粒之间的扩散连接，从而降

低了合金的性能。

可采用粉末预处理、调整热等静压工艺、调整合金元素、降低碳含量、加入铝、铃等强碳化物形成元素来消除原始颗粒边界。

粉末冶金的工艺复杂，粉末高温合金制造的涡轮盘、轴等又是发动机的关键部件，为确保发动机部件的绝对可靠和稳定，对每个工艺环节都必须建立严格的质量控制规范，制定相应的检验方法和标准，实行严格的监控。

1.4.2铁基高温合金中的合金元素与第二相

铁基高温合金通常含有许多合金元素，它们是铭、鸨、钛、钮等，它们各自起着不同的作用，铭是使铁基高温合金在常温下具有铁素体组织并具有良好耐蚀性的主要元素。

随着倍含量的增加，加速。

'

相和。

相的形成和沉淀，并使铁素体晶粒更加粗大，脆化倾向的增加。

在正常退火态，随着铭含量的增加，钢的韧性下降，脆性转变温度上升。

倍是使铁基合金获得耐蚀性的最主要元素。

在氧化性介质中，铭能使不锈钢表面迅速生成氧化倍的钝化膜。

铁基高温合金在常温下基体为铁素体相，由于原子半径远大于铁素体基体点阵中的四面体空隙，氧在铁素体中的固溶度极低，般认为导读：

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由于ODS铁基高温合金主要应用于涡轮叶片等部件，对材料强度性能要求较高，而ODS铁基高温合金（以Y2O3弥散强化合金为例）存在温度超过650C时强度随即显著下降的问题。

其可能原因被分析为晶界弱化，高温下纳米氧化物无法保持对位错运动的强烈阻碍。

据已有资料表明，相对氧化物而言，氮化物具有更好的稳定性，在高温热激活的过程中，可能在晶界中能够更好的保持稳定，从而保持对位错的钉扎，对晶界滑动的抑制，进而保持良好的高温力学性能。

本实验通过在已有Fe-Cr-Pao

机械合金化采用长沙天创粉末有限公司生产的XQM-6L行星式球磨机进行（如图22（b）所示）。

球磨罐为平底真空不锈钢球磨罐，研磨球为不锈钢球，采由10mm和5mm两种的大小球混合球磨，球料比为10:

1。

球磨罐大小为1L。

采用高纯氨气作为球磨气氛。

选取球磨速度为200r/min,