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高温合金知识
高温合金是在高温严酷的机械应力和氧化、腐蚀环境下应用的一类合金。随着科技事业的发展，高温合金逐渐形成六个较为完整的部分。
    一、变形高温合金
    变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。
    1、固溶强化型合金
    使用温度范围为900～1300℃，ZUI高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。
    2、时效强化型合金
    使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡 与叶片等结构件。制作涡 的合金工作温度为-253～700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。 例如：GH4169合金，在650℃的ZUI高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。
    变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。
 




1、航空航天领域
我国发展自主航空航天产业研制先进发动机，将带来市场对高端和新型高温合金的需求增加。
航空发动机被称为“工业之花”，是航空工业中技术含量、难度的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机，特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中的性能要求。
高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料。高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。
在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40%~60%。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡 四大热段零部件；此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
2、能源领域
高温合金在能源领域中有着广泛的应用。煤电用高参数超超临界发电锅炉中，过热器和再过热器必须使用抗蠕变性能良好，在蒸汽侧抗氧化性能和在烟气侧抗腐蚀性能优异的高温合金管材；在气电用燃气轮机中，涡轮叶片和导向叶片需要使用抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金；在核电领域中，蒸汽发生器传热管必须选用抗溶液腐蚀性能良好的高温合金；在煤的气化和节能减排领域，广泛采用抗高温热腐蚀和抗高温磨蚀性能优异的高温合金；在石油和天然气开采，特别是深井开采中，钻具处于4-150 ℃的酸性环境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必须采用耐蚀耐磨高温合金 [5]  。
我国上海电气、东方电气、哈尔滨汽轮机厂等大型发电设备制造集团在生产规模和生产技术等方面近年来有了较大提高，拉动了对发电设备用的涡 的需求。正在进行国产化研制的新一代发电装备－大型地面燃机（也可作舰船动力）取得了显著进展，实现量产后将带动对高温合金的需求。同时，核电设备的国产化，也将拉动对国产高温合金的需求。

1、含铼单晶叶片的研究
在单晶的成分设计中，要兼顾合金性能和工艺性能，由于单晶中不存在晶界，并应用在较为苛刻的环境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。随着单晶合金的发展，合金的化学成分具有如下变化趋势：引入Re元素，引入Ru、Ir等铂族元素，增加难熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；难熔元素的加入总量增加，C、B、Hf等元素从“完全去除”转为“限量使用”；降低Cr含量从而允许加入更多其他的合金化元素而保持组织稳定。
含铼单晶叶片大幅了其耐温能力及蠕变强度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5为代表的第二代单晶合金与代单晶合金相比，通过加入3%的铼元素、适当增大了钴和钼元素的含量，使其工作温度提高了30℃，持久强度与抗氧化腐蚀能力达到很好的平衡。
含铼单晶叶片是未来航空发动机涡轮叶片的趋势。单晶叶片由于其耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性较定向凝固柱晶合金有了显著提高，从而很快得到了航空燃气涡轮发动机界的普遍认可，几乎所有先进航空发动机都采用了单晶合金用作涡轮叶片 [6]  。



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3、材料成型方式
通过材料成型方式划分有:铸造高温合金( 包括普通铸造合金、单晶合金、定向合金等) 、变形高温合金、粉末冶金高温合金( 包含普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金)。
⑴铸造高温合金
采用铸造方法直接制备零部件的合金材料叫铸造高温合金。根据合金基体成分划分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金3 种类型。按结晶方式划分，可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4 种类型。
⑵变形高温合金
目前仍然是航空发动机中使用多的材料，在国内外应用都比较广泛，我国变形高温合金年产量约为美国的1 /8 [2]  。以GH4169 合金为例，它是国内外应用范围多的一个主要品种． 我国主要在涡轮轴发动机的螺栓、压缩机及轮、甩油盘作为主要零件，随着其他合金产品的日益成熟，变形高温合金的使用量可能逐渐减少，但在未来数十年中仍然会是占主导地位。
⑶新型高温合金
包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域．
①第三代粉末高温合金的合金化程度，使其兼顾了前两代的优点，获得了更高的强度较低的损伤，粉末高温合金生产工艺日趋成熟，未来可能从以下几个方面开展: 粉末制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉末盘;
②钛铝系金属间化合物已经开发到第四代，逐步向着多元量和大量元这两个方向拓展，德国的汉堡大学，日本京都大学，德国的GKSS 中心等都进行了广泛的研究，钛铝系金属间化合物现已应用于船舶、生物医用、体育用品领域;
③氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金一部分，正在生产研制的有近20 余种，具有较高的高温强度和低的应力系数，广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、先进航空发动机、石油化工反应釜等；
④耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，应用于建筑及航天航空领域。



沉淀硬化钢常用牌号：
17-4PH/0Cr17Ni4Cu4Nb/05Cr17Ni4Cu4Nb/AISI630,UNS S17400/SUS630/X5CrNiCuNb16-4/PH15-7Mo/（UNS S15700、SUS 632）0Cr15Ni7Mo2Al/ AM-350(UNS S35000/SUS 633)0Cr16Ni4Mo3N/17-7PH(SUS 631) 07Cr17Ni7Al/UNS S17700/AISI 631/ PH13-8Mo/0Cr13Ni8Mo2Al（UNS S13800、XM13/04Cr13Ni8Mo2Al/15-5PH（UNS S15500、XM12）1.4545/XM-12/05Cr15Ni5Cu4Nb/0Cr15Ni5Cu4Nb/Custom-455/00Cr12Ni8Cu2TiNb /AM-355(634型) AM350/0Cr16Ni4Mo3N
根据钢的组织可分为3类：(1)马氏体沉淀硬化不锈钢，以中国0Cr17Ni7TiAl和0Cr17Ni4Cu4Nb为代表。(2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢，以0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al为代表。(3)奥氏体沉淀硬化不锈钢，它实际上为铁基高温合金，以0Cr15Ni20Ti2MoVB、1Cr17Ni10P为代表。
设计要点 (1)马氏体沉淀硬化不锈钢。钢中碳含量一般≤0.1％，但≥0.05％，目的是既有好的焊接性、耐蚀性，又具有较好的强韧性；铬含量一般在16％～17％以保证足够的不锈性和耐蚀性；合适的镍、铬当量，以便钢中δ-铁素体的含量处于水平(一般≤5％)，以免损害横向性能和降低钢的强度。各种合金元素的铁素体形成效果如下：
0.1％N 0.1％C 1％Ni 1％Co 1％Cu
-20 -18 -10 -6 -3
1％Mn 1％w 1％Si 1％Mo 1％Cr
-1 ＋8 ＋8 ＋11 ＋15
1％V 1％Al
＋19 ＋38
元素的配比应使马氏体相变开始温度(Ms点)在150℃以上马氏体相变基本完成温度，(Mf点)在50℃以上，下述经验公式可作计算Ms点时的参考：
Ms={75(14.6-％Cr)＋110(8.9-％Ni)＋3000
[0.068-％(C＋N)]＋60(1.33＋％Mn＋50
(0.17-％Si)}，℃
添加适量沉淀硬化元素如铜和钛等以便形成ε富铜相和NiTi相等进行强化。。

 




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