高温合金优质PPT.ppt

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,钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。

5,6,3.高温合金的高温性能要求,高温合金工作在6001200，高温性能要求：

高温下的力学性能；

高温下的抗腐蚀性能。

（1）高温下的力学性能持久强度指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。

要求获得此条件下的最大强度，以表示。

其中A，B为材料常数，为时间（h），是应力（MPa）。

持久强度与温度梯度和波动，材料的缺口和应力集中等因素有关。

热疲劳随热循环应力增加，循环温度或平均温度的增加而下降；

循环频率增加，热疲劳强度增加。

应力集中也会降低金属热疲劳强度。

松弛零部件在长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的应力随时间的增加而自发地逐渐降低的现象。

此为为高温下合金内部组织不稳定引起。

6,7,蠕变指温度高于0.5T熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。

典型的蠕变曲线见图2所示，根据变形速率随时间的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。

第一阶段，即蠕变的减速阶段。

随时间的增加，形变量增加，变形速率降低，见右图的AB段。

第二阶段，即恒定蠕变阶段。

此时蠕变变形速率随加载时间的延长而保持不变，如BC段。

第三阶段，蠕变的加速阶段。

蠕变形变速率显著增加，当达图中D点时，材料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变断裂时间越短。

图2典型的蠕变曲线,7,8,

（2）抗腐蚀性提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。

提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。

8,9,4.提高高温合金性能的途径和方法,结构强化1）固溶强化加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、钼等，引起基体金属的点阵畸变。

钨、钼可缓减基体金属扩散；

钴降低合金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。

固溶强化与下列因素有关：

溶质和溶剂原子大小差。

溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻碍位错运动。

溶质和溶剂原子弹性模量的差别。

改变溶质原子处位错的弹性应力场。

静电交互作用。

晶体中刃位错产生的弹性畸变会引起费密能变化，导致金属导电电子从受压缩区域流向受拉伸区域，产生电偶极子。

溶质原子的导电电子参与分布，使之成为一个带正电荷的离子，从而在它与位错之间出现短程的静电交互作用，使位错运动阻力增加。

但这种作用比弹性交互作用要小很多。

9,10,动化学交互作用。

溶质原子在面心立方金属中层错处的平衡浓度不同，这种不均匀分布，即所谓铃木气团（Suzuki气团）。

它的强化作用比体心立方金属中的Contrell气团和Snock气团产生的弹性交互作用要小一个数量级，但其稳定性较高，将位错从铃木气团脱钉出所需的激活能高达1eV。

因此对于位错运动阻力，它的作用较大。

动短程有序原子。

当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。

位错运动通过有序区时，由雨全部或部分破坏原子有序关系而增加了位错运动阻力。

层错能降低的强化。

层错能是影响蠕变变形的重要因素。

对纯金属而言，蠕变第二阶段变形速率与层错能的3.5次方成比例，低层错能合金的高温强度较高。

对于高温合金，降低合金层错能的固溶元素，有利于降低蠕变变形。

可以粗略地把合金元素对层错能影响归纳为线性关系。

合金元素对镍的层错能的影响依减：

WTiCrCoCuFe。

10,11,高温合金中、合金元素的固溶强化作用，首先是与溶质和溶剂原子尺寸因素差别相关联；

此外，两种原子的电子因素差别和化学因素差别都有很大影响，而这些因素也是决定合金元素在基体中的溶解度的因素。

固溶度小的合金元素较之度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小又限制其加入量；

固溶度大的元素可以增加其加入量而获得更大的强化效果。

2）沉淀强化通过高温固溶后淬火时效的方法，使过饱和的固溶体中析出共格第二相的,碳化物等细小颗粒均匀分布基体上，产生阻碍位错运动，起到强化作用。

沉淀强化与下列因素有关：

错配度。

错配度共格应力强化是相强化的一个重要因素，错配度越大，强化越高。

图3示出Ni-AI-Me合金高温最大硬度与错配度关系，在相强化的Ni-AI二元合金中加入铌、钽、钒、硅、锰、镓,11,12,及碳等元素，高温硬度随晶格错配度线性增加，其760高温抗拉强度也有相同变化趋势。

图3Ni-Al-Me合金高温最大硬度与错配度（871/50h时效）关系,12,13,沉淀相尺寸。

相大小是一个非常重要的参数，其存在一个临界质点尺寸，临界尺寸处可获得最大的强化效果。

临界质点尺寸与相含量有关，相含量越多，临界尺寸越大。

图4Ni-Cr-Al-Ti合金中相尺寸对高温性能的影响,13,14,图5相含量对镍基合金性能的影响,沉淀相含量。

相的量是获得强化效果的基本条件。

对镍基合金，可以通过加入铝、钛、铌等相形成元素而大量增加相含量，也可以用钴、铁、铬等元素降低相的溶解度来增加相含量。

14,15,3）晶界强化晶界在低温下是位错滑移的阻碍，对于在低温工作的合金，细化晶粒将有利于合金的强度提高。

但是晶界在高温下易发生蠕动，因此在高温下使用的合金希望减少晶界的粗晶结构；

另外为了提高晶界的高温强度，采用控制有害杂质，加入微量元素如锆等元素，强化晶界。

晶界强化与下列因素有关：

弯曲晶界。

用特殊的方法得到弯曲的晶界，可降低晶界滑移的速率。

图6示出GH220高温合金的蠕变性能。

在850、343MPa条件下，从图6看出，弯曲晶界有效地提高了合金的蠕变性能。

图6GH220高温合金的蠕变性能,15,16,强化晶界元素。

这些微量元素有硼，钡锆，镁，铪等，偏析于晶界，改善晶界第二相（碳化物等）的分布形态和分布，以及晶界附近区域的组织（如贫区），从而改善晶界强度和塑性。

图7示出GH220合金中镁对晶界碳化物M6C相分布的改善。

控制有害杂质。

这些杂质元素往往是低熔点的，偏析在晶界，并与基体生成低熔点的化合物或共晶体。

如氮气、氧气、氢气含量，对高级的镍基高温合金，氧和氮的质量分数必须小于1010-6，一般的高温合金氮的质量分数约4010-65010-6。

对合金含硫和磷的质量分数控制在小于510-6，可明显提高高温热强性。

稀土和碱土元素对气体，硫，磷等有害杂质有较大的亲和力，形成难熔化合物，起净化作用。

图7GH220合金中镁对晶界碳化物M6C相分布的改善a）无Mgb）wMg=0.0048%,16,17,碳化物和氧化物强化。

碳化物硬而脆，与基体呈非共格阻挠位错切割。

一些碳化物在高温下易溶解，低温可析出，高温具有一定的稳定性，不易长大。

此类碳化物有VC，M23C6，NbC等，增加碳化物的含量和它的弥散度有利于提高强化效果，但过高的饱和度形成大块的碳化物析出，会引起脆性。

通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下保持稳定的细小氧化物颗粒，如ThO2，Y2O3，Al2O3等，呈弥散分布，起到钉扎位错和阻碍位错运动的作用。

（2）工艺强化1）粉末冶金高熔点元素钨、钼、钽的加入，凝固时会在铸件内部产生偏析，造成组织不均。

采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结，成形的零件，可消除偏析，组织均匀，并节省材料，做到既经济又合理。

17,18,2）定向凝固由于高温合金中存在多种合金元素，塑性和韧性都很差，通常采用精密铸造工艺成型。

铸造结构中的等轴晶粒的晶界，处于垂直于受力方向时，最易产生裂纹。

叶片旋转时受的拉应力和热应力，平行于叶片的纵轴，采用定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，可使热疲劳寿命提高10倍以上。

通过严格控制陶瓷壳型冷却梯度方法，做成单晶涡轮叶片，其承温能力比一般铸造方法的材料承温提50100，寿命增加4倍。

3）快速凝固快速凝固得到的高温合金，合金的组织细化，偏析降低，固溶体基本过饱和度和缺陷增加，从而改善合金的组织，使前述各种强化手段的作用得到充分发挥。

原来在一般凝固条件下不能获得良好的组织，在快速凝固条件下则可获得优良的、非平衡状态组织。

例如在快速凝固条件下，镍基高温合的主要强化相可以不仅是传统的相，还可以得到大批的、均匀细小的碳化及硼化物相、-Mo相等。

在快速凝固条件下，由于这些相均匀细小的时效析出或共晶析出而起强化作用。

18,19,5.高温合金的应用,

（1）航空发动机1）燃烧室部分压缩空气与燃料混合，在燃烧室燃烧，所产生的燃气温度在15002000之间。

其余的压缩空气在燃烧室周围流动，穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。

燃烧筒合金材料承受温度可达800900以上，局部可达1100。

冷却空气与燃烧的气体混合，使燃气温度降到1370以下。

可见，燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外壁温度不同引起的热应力作用。

特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。

由于周期循环加热冷却，热应力可达很大值，冷却孔更易破坏、燃烧室常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。

2）导向叶片导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件。

先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100，但叶片承受的应力比较低，一般在70MPa以下。

对材料要求是：

高温强度好，热疲劳抗力佳，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。

19,20,3）动叶片动叶片是涡较发动机中工作条件最恶劣的部件。

先进航空发动机的燃气进口温度已达1380，推力达226kN。

涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约140MPa；

叶根部分承受平均应力为280560MPa，相应的叶身承受温度为650980，叶根部分约为760。

因此，动叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。

此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度，可铸性及较低的密度。

4）涡轮盘航空发动机涡轮盘工作温度在760左右，轮缘部分可达此温度，而径向盘