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        鎳基高溫合金的發(fā)展綜述

        2016-05-14 16:05:40梁爽劉智鑫李秋鶴
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年4期

        梁爽 劉智鑫 李秋鶴

        摘 要:本文簡要介紹了鎳基高溫合金的概況以及合金各元素成分設(shè)計的發(fā)展,其中難溶元素的比例逐漸增加,但促進(jìn)了TCP相的生成,添加一定比例的Ru元素有抑制TCP相生成的作用。本文還探討了未來鎳基高溫合金將向著更強、更輕、更便宜、更耐腐蝕的發(fā)展趨勢。

        關(guān)鍵詞:鎳基高溫合金的發(fā)展;Ru;Re;TCP相

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.031

        1 引言

        隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展,高溫合金的開發(fā)與研究越來越被人們所關(guān)注。高溫合金是指能夠在600℃溫度以上條件下可以工作,并可以承受加大應(yīng)力,有一定耐腐蝕性、抗氧化性等良好高溫性能的合金[1]。高溫合金主要應(yīng)用在航空航天發(fā)動機中,其中渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、燃燒室等部件幾乎由高溫合金制成。按合金基體元素分類,高溫合金主要分為鐵基高溫合金,鈷基高溫合金以及鎳基高溫合金[2]。其中鎳基高溫合金擁有良好的組織結(jié)構(gòu)及蠕變性能,是作為航空發(fā)動機的首選材料。

        2 鎳基高溫合金概述

        鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛,約有40%的高溫合金為鎳基高溫合金。鎳基高溫合金主要成分為Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素,基體為鎳元素,含量在60%以上,主要工作溫度段在950℃-1100℃,在此溫度段內(nèi)服役時,其有較高的強度,較強的抗氧化能力以及抗腐蝕能力。鎳基高溫合金的發(fā)展始于英國的80Ni-20Cr合金,人們在其中添加了少量的Ti和Al,發(fā)現(xiàn)了強化相,繼而開啟了發(fā)展鎳基高溫合金的篇章[3]。60年代初期,人們發(fā)現(xiàn)合金的中溫性能較差,葉片在工作中有斷裂情況發(fā)生,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),合金中境界出雜質(zhì)較多,原子擴散速率較快,晶界成為在鎳基高溫合金服役中易發(fā)生裂紋的環(huán)節(jié),基于這一問題,人們開始研究定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)就是使合金在生長過程中只沿應(yīng)力軸方向生長,具有代表性的合金是美國研制的PWA 1422。從此鎳基高溫合金的發(fā)展進(jìn)入到新的時期[4]。但是隨著航空航天也的發(fā)展,對合金性能的要求越來越高,縱向晶界仍然是影響其高溫性能的主要病因。為了消除合金中的縱向晶界,選晶法和籽晶法這兩種制備合金方法于20世紀(jì)80年代相繼問世,從此鎳基單晶高溫合金開始登上歷史舞臺。到今天為止鎳基單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第5代。

        3 鎳基單晶高溫合金成分設(shè)計發(fā)展

        隨著鎳基單晶高溫合金的不斷發(fā)展,合金的成分有了很大的變化,具體特點如下:

        (1)C、B、Hf等元素的添加。由于C、B、Hf等元素有晶界強化的作用,所以在早期的單晶鎳基合金中不添加這些元素,但是在近年的研究中卻發(fā)現(xiàn),這些元素在不同合金中有一些特殊的作用,會在一定程度上提高合金的性能,所以之后發(fā)展的一些鎳基單晶高溫合金添加了極少量的C、B、Hf等元素;(2)難溶元素(Mo、W、Re、Ru)成分的不斷增加。第一代鎳基單晶高溫合金的難熔元素含量很少,DD3合金中僅含9%,之后難溶元素的含量不斷增加,第三代鎳基單晶高溫合金中的難溶元素達(dá)到了20%以上,到了第5代鎳基單晶高溫合金,難溶元素的含量達(dá)到了26.2%。Re元素從第一代的零添加,到第5代添加了6%,Re元素雖然比較昂貴,但對合金的高溫性能有較強的提高作用。Mo、W的含量基本沒有變化,這兩種元素可以起到固溶強化的作用[5]。W、Mo、Re都對鎳基單晶高溫合金的高溫性能有較強的增益作用,但這些元素也會促進(jìn)TCP相的形成,所以如何在增加難溶元素含量的前提下,抑制TCP相的生成是當(dāng)代鎳基單晶高溫合金設(shè)計的一個課題[6]。Ru元素是今年來進(jìn)入人們視野的一種稀土元素,Ru元素的加入是當(dāng)代鎳基單晶高溫合金發(fā)展的趨勢,Ru元素雖然也是難溶元素,但是它并不會促進(jìn)TCP相的生成,反而促進(jìn)合金成分的均勻化,抑制TCP相的生成;(3)Cr元素含量降低。Cr元素是抗腐蝕元素,研究表明當(dāng)Cr含量在5%以下時合金的抗腐蝕及抗氧化性能急速下降[7],但通過實驗人們又發(fā)現(xiàn),CMSX-10合金雖然僅含2.3Cr,但其相關(guān)性能并沒有明顯下降,經(jīng)研究表明[8],這是Re、Ta元素的添加造成的,這兩種元素也可以抑制元素的擴散速度,提高了組織的穩(wěn)定性,從而提高了抗腐蝕性能及抗氧化性能。同時,Cr元素可促進(jìn)TCP相的生成[9],所以從第二代合金開始,Cr含量大幅度的降低。

        4 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

        (1)更高的高溫性能。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展,航空發(fā)動機的性能要求越來越高,其所用的高溫材料需要更高的承溫能力,更高的蠕變性能;(2)更好的抗腐蝕性能、抗氧化性能。在合金設(shè)計中盡量少添加Cr元素,通過添加難溶元素來提高合金的抗腐蝕性能及抗氧化性能,或者進(jìn)行表面防護涂層;(3)發(fā)展低密度的鎳基高溫合金。由于重量原因,發(fā)展低密度高溫合金非常有必要,尤其是葉片,葉片在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生較大的離心力,重量的增加會增大離心力,增加葉片的負(fù)載,從而降低葉片的使用壽命,所以發(fā)展低密度的鎳基高溫合金是很有必要的;(4)發(fā)展低成本的鎳基高溫合金。隨著鎳基高溫合金的不斷發(fā)展,Re元素的含量越來越大,而Re元素在地球上含量較少,價格較昂貴,如何通過Ru元素的添加來提高鎳基單晶高溫合金的性能從而減少甚至不添加Re元素已降低鎳基單晶高溫合金的成本是未來的發(fā)展趨勢之一。

        參考文獻(xiàn):

        [1]胡壯麒,劉麗榮,金濤等.單晶鎳基高溫合金的發(fā)展[J].航空發(fā)動機,2005,31(03):1-7.

        [2]徐強,張幸紅,韓杰才等.先進(jìn)高溫材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].固體火箭技術(shù),2002,25(03):51-55.

        [3]張和善.國外航空結(jié)構(gòu)材料發(fā)展概況[J].航空制造工程,1997(11):3-6.

        [4]張祖謙,劉志中.渦輪葉片用高溫合金發(fā)展中的幾個問題[J].國際航空,1978(04):43-48.

        [5]謝錫善.我國高溫材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].機械工程材料,2004,28(01):2-11.

        [6]Sherby O D, Taleff E M. Influence of grain solute atoms and second-phase particle on creep behavior of polycrystalline solids. Materials and Engineering, 2002, A322: 89-99.

        [7]Karunaratne M S A, Cox D C, Carter P, et al. Modeling ofthe microsegregation in CMSX-4 superalloy and its homogenization during heat treatment. In: Pollock T M eds. Superalloys 2000. Pennsylvania: Warrendale, 2000. 263-272.

        [8]Carry C, Strudel J L. Apparent and effective creep parameter in single crystals of a nickel-base superalloy incubation period. Acta Metal, 1994, 41(9): 767-777

        [9]Lall C, Chin S, Pope D. The orientation and temperature dependence of the yield stress of Ni3(Al,Nb) single crystals. Metal Trans, 1979, A(10): 1323-1331.

        項目名稱:一種含2%Ru的單晶鎳基合金的組織與性能的研究。項目類別:青年項目自然科學(xué)。項目編號:QNL201513

        作者介紹:梁爽,女,遼寧營口人,博士在讀,實驗師,研究方向:材料學(xué)。

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