高溫合金的應(yīng)用與發(fā)展laodaq高溫合金的應(yīng)用與發(fā)展高溫合金的簡介高溫合金的應(yīng)用高溫合金的強化機理及制備工藝定向凝固和單晶葉片總結(jié)1高溫合金的簡介名稱：熱強合金、耐熱合金或超合金(Superalloy)產(chǎn)生：主要是為滿足噴氣發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的特點：較高的高溫強度、塑性；優(yōu)異的抗氧化、抗熱腐蝕性；良好的熱疲勞性、斷裂韌性；良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性分類：按成型方式可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（定向、單晶、共晶）按基體高溫合金可分為鎳基、鐵基和鈷基三類2高溫合金的應(yīng)用2.1航空、航天航空渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)

GE航空渦輪發(fā)動機燃燒室

主要用材為GH1140等。導(dǎo)向器（導(dǎo)向葉片）

精密鑄造合金有K214、K232、K406等，定向凝固有DZ3DZ5等。渦輪葉片

工作條件最為惡劣，受力復(fù)雜。用材：GH4033、GH4037，K403、K417、DD402、DD3等。渦輪盤國內(nèi)首創(chuàng)用K136合金電渣熔鑄渦輪盤。德陽東汽鑄造有限公司工業(yè)燃氣輪機工業(yè)燃氣輪機葉片應(yīng)用最廣的是K438（IN738），美國Cannon-Muskegon公司開發(fā)了應(yīng)用于工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片的單晶高溫合金CMSX-11B和CMSX-11C。石油化工石油煅燒工廠燃氣爐部件、乙烯裂解爐及管道、核反堆、煤的氣化和燃燒、玻璃纖維制造中的熔化器、旋轉(zhuǎn)部件、熱交換器、氨氣的裂解、二氯乙烯生產(chǎn)爐、乙烯基氯化物單體生產(chǎn)工廠等（瑪努爾公司）。2高溫合金的應(yīng)用2.2民用高溫合金冶金加熱鋼材的熱交換器、回轉(zhuǎn)爐及爐內(nèi)部如爐輥、掛鉤、襯法蘭、傳動桿、鋁熔化爐的熱交換器、氣體滲碳爐部件等。其他應(yīng)用城市垃圾高溫分解工廠爐內(nèi)部件、垃圾焚燒工廠熱交器和加熱管、紙漿和紙張工業(yè)爐內(nèi)部件和加熱管、陶瓷煅燒窖內(nèi)部件等。2高溫合金的應(yīng)用2.2民用高溫合金3高溫合金的強化機理及制備工藝3.1

高溫合金的組織和強化方式組織結(jié)構(gòu)γ+γ’+多種碳化物γ為基體，是面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體γ’為金屬間化合物Ni3(Al,Ti)等強化方式

固溶強化

沉淀強化

彌散強化固溶強化添加鈷、鉻、鎢、鉬、鈮、鉭等元素提高原子間結(jié)合力產(chǎn)生點陣畸變、短程有序及其它原子偏聚，阻止位錯運動。3高溫合金的強化機理及制備工藝3.1

高溫合金的組織和強化方式沉淀強化添加鋁、鈦、鈮、鉭、鉿等形成共格穩(wěn)定金屬間化合物Ni3(Al,Ti)。晶界強化添加微量的硼、鎂、鋯和稀土等吸附在晶界的元素，形局部合金化，減緩晶界擴散、強化晶界?？偨Y(jié)：高溫合金針對不同的強化方式，添加不同的金屬，使其合比幾乎達到極限，也使其熔煉、凝固、熱處理以及檢測變的很復(fù)高溫合金的設(shè)計方法及工藝設(shè)計方法理論針對控制TCP析出相而展開的平均電子空位法、d-電子理論法以及在電子和原子層次上利用計算機、人工智能和最優(yōu)化方法對材料行為進行計算機模擬設(shè)計的方法。實驗+經(jīng)驗“炒菜法”

添加不同元素和改變含量來進行實驗設(shè)計。美國和俄羅斯作為世界兩大高溫合金研究生產(chǎn)與應(yīng)用強國，更多的是依靠實驗來進行合金設(shè)計的。帶流槽的真空感應(yīng)爐單相雙極電渣爐3.2高溫合金的設(shè)計方法及工藝3.2.2工藝及裝置工藝：兩次熔煉—母材熔煉和重熔。母材熔煉獲得所要求的化學(xué)成份。重熔的目的是為了進一步精煉及控制鋼錠的凝固過程，得到氣體、夾雜物含量很低和結(jié)晶組織較好的鋼錠。設(shè)備：真空感應(yīng)爐+電渣重熔（原理、優(yōu)點、局限性）4單晶葉片4.1

定向凝固和單晶產(chǎn)生的原因原因：其它材料以及普通高溫合金的性能無法滿足航空、航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨?。航空發(fā)動機渦輪葉片的運行表明，絕大部分葉片裂紋都是沿垂直于葉片主應(yīng)力方向的晶界即橫向晶界上產(chǎn)生和發(fā)展的。因此消除橫向晶界可大大提高葉片抗裂紋生長的能力?；诖怂枷?，采用定向凝固，獲得與葉片軸平行的只有縱向晶界的柱狀晶。在此基礎(chǔ)上，采取特定的方法消除一切晶界，便可得到單晶葉片。4單晶葉片4.2

定向凝固原理：控制熱流方向從而建立定向溫度梯；阻止新的晶核形成方法：發(fā)熱鑄型法、功率降低法、高速凝固法、液態(tài)金屬冷卻法溫度梯度7-11℃/cm，生長速率8-12cm/h功率降低法溫度梯度26-30℃/cm，生長速率23-27cm/h高速凝固法4單晶葉片4.3熔模鑄造實心葉片實心葉片熔模鑄造工藝：制模樣-組裝澆冒系統(tǒng)-制殼-脫蠟焙燒-澆注-清理熔模產(chǎn)品：

選晶器：螺旋選晶器縮頸選晶器單晶葉片型殼德陽東汽鑄造有限公司D=3-5mm結(jié)晶沿螺旋方向攀旋近180o時便得到單一晶粒4單晶葉片4.4熔模鑄造空心葉片空心葉片產(chǎn)生原因：發(fā)動機推重比和效率↑燃氣溫度↑，但是葉片承溫能高緩慢，采用冷卻系統(tǒng)可有效的降低葉片溫度?？招娜~片制造工藝：增加了制芯和去芯工藝4單晶葉片4.4

熔模鑄造空心葉片陶瓷型芯選用條件：★足夠的耐火度★與合金的不相容性★與殼型相匹配的線膨脹系數(shù)★能用化學(xué)方法去除兩種型芯比較：氧化硅基型芯在使用溫度超過1500-1550℃型芯會與合金中元素反應(yīng)，影響葉片質(zhì)量。氧化鋁基型芯結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，耐高溫性更好，更適合單晶澆注（1540-1620℃)。但其制去芯較為復(fù)雜。一般采用氧化硅基型芯和氧化鋁基型芯陶瓷型芯去除：氧化硅基型芯

澆注完成后用堿液腐蝕掉氧化鋁基

輔以高壓水沖洗4單晶葉片4.5單晶制造設(shè)備技術(shù)指標(biāo):采用液態(tài)金屬（熔點低、沸點高）冷卻器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輻射冷卻，提高溫度梯度。該設(shè)備可以保證葉片在1650℃的高溫下進行精確幾何的澆注.半斷續(xù)工作真空熔化—澆注裝置,并設(shè)有自動控制的澆注系統(tǒng)，可以得到長度250мм的葉片（УВНК-9）和650мм葉片（УВНК-14）大尺寸L-650MM單晶葉片制造自動化裝置УВНК-144單晶葉片4.6

DD3單晶DD3是我國第一代單晶合金，力學(xué)性能與美國單晶PWA1480相當(dāng)。由于不含Re、Ta、Hf成本較低，已成為航空渦輪發(fā)動機葉片材料。4單晶葉片4.6

DD3單晶DD3材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Q/6S366-90技術(shù)條件（部份）C≤0.01

S≤0.002

N≤0.0012

O≤0.001

P≤0.001北京航空材料研究院澆注了長度為70-150mm的實心、空心葉片，生產(chǎn)實心單晶渦輪葉片的毛坯合格率達70%以上。4單晶葉片4.7單晶、柱晶及普通葉片的比較承溫能力第一代單晶(PWAl480和SRR99)=定向柱晶+(25—50℃)第二代(PWAl484、CMX4、Rene’N4)=第一代單晶合金+25℃第三代TMS26(日本)=第一代單晶合金+90℃壽命定向葉片壽命=普通鑄造葉片壽命×2.5單晶葉片壽命=普通鑄造葉片壽命×5例：美國海軍用直升機發(fā)動機T400—WV—402使用PWA1422定向葉片，壽命2000小時，改用PWAl480單晶葉片，壽命達到6000小時。在持久強度、中溫性能、阻礙裂紋生長等方面定向和單晶都有大幅提高5總結(jié)5.1發(fā)展趨勢渦輪葉片材料的發(fā)展鍛造高溫合金→多晶鑄造高溫合金→定向凝固柱晶→∣單晶→定向共晶高溫合金→金屬間化合物、人造纖維增強高溫合金→定向再結(jié)晶氧化物彌散強化合金→非金屬材料5總結(jié)5.1發(fā)展趨勢陶瓷基復(fù)合材料良好的沖擊抗性；高溫穩(wěn)定性；但比強度相對較低，成形困難、可靠性差、成本高Nb-Si基原位自生復(fù)合材料良好的室溫韌性、斷裂韌性、抗沖擊性、較高的高溫強度、較好的可加工性、但其抗氧化性和蠕變強度不足所以隨著航空和地面燃氣渦輪要求提高工作溫度、提高推重比，延長壽命，而其它材料無法滿足其要求，高溫合金雖然成本高，但在未來一段時間里，仍將是航空及燃氣渦輪發(fā)動機主導(dǎo)材料國外定向柱晶燃機葉片材料和制造技術(shù)成熟，已在燃機上普遍使用。單晶葉片也有裝機件，但使用率并不高，這主要是因為燃機葉片的結(jié)構(gòu)（主要是尺寸大）使得單晶生長難度顯著增加國外燃機單晶葉片還存在很多難題需要突破，如雀斑、雜晶等其制造技術(shù)并不成熟。5總結(jié)5.2單晶及應(yīng)用現(xiàn)狀國內(nèi)目前，國內(nèi)有單晶牌號4-5個，但真正經(jīng)過發(fā)動機單晶葉片應(yīng)用考核的只有兩個DD3、DD6，其它牌號合金均是只有成分和性能的結(jié)果。目前，我國單晶合金主要是航空發(fā)動機渦輪工作葉片采用，燃機葉片國內(nèi)剛開始研究等軸晶，期望替代進口件降低成本。我國航空發(fā)動機復(fù)雜單晶葉片制備水平正在向工業(yè)批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，但技術(shù)還有待進一步完善，還有一些技術(shù)瓶頸需要突破。5總結(jié)5.2單晶及應(yīng)用現(xiàn)狀設(shè)備單晶葉片的制造設(shè)備國內(nèi)外都有成套出售，但必須根據(jù)需要和要達到的目標(biāo)相對應(yīng)，不同用途和結(jié)構(gòu)的葉片材料其制造和檢測設(shè)備是不同的。這些設(shè)備包括熔煉母合金、熔模、陶瓷型芯、陶瓷型殼、真空熔鑄爐、后處理（脫殼、脫芯、熱