高溫合金晶界強(qiáng)化(grain boundary strengthening of superalloy)
添加微量元素改善晶界狀態(tài)達(dá)到高溫合金強(qiáng)化的目的。晶界的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則,原子排列混亂,晶格歪扭,又存在各種晶體缺陷(如位錯、空洞等),因此晶界在高溫變形時是一個薄弱環(huán)節(jié)。在高溫蠕變時,晶界形變量占總形變量的50%,因此強(qiáng)化晶界就成為高溫合金強(qiáng)化的一個重要部分。一些有害雜質(zhì)元素的溶解度很小且往往偏析于晶界,生成低熔點(diǎn)共晶化合物。硫在γ—Fe中的溶解度只有0.015%。因此合金中所含的硫在鐵中易形成熔點(diǎn)為988C的Fe+FeS低熔點(diǎn)共晶。硫在鎳中會形成熔點(diǎn)只有644℃的Ni+Ni3S2共晶。這些低熔點(diǎn)共晶在晶界的形成會大大惡化合金的熱加工性能和高溫?zé)釓?qiáng)性。通常高溫合金中的硫含量控制在0.015%以下,優(yōu)質(zhì)高溫合金控制在0.005%~0.007%以下。美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)AMS2280規(guī)定鎳基高溫合金必須滿足雜質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn),要求鉍、鉈、碲、鉛、硒5個元素含量分別在(0.5~5)×10-6以下,同時對銻、砷、鎘、鎵、鍺、金、銦、汞、鉀、鈉、釷、銀、錫、鈾、鋅等15個微量雜質(zhì)元素的含量分別控制在50×10-6以下,其總和還不允許超過4O0×10-6為了消除有害雜質(zhì)和氣體的不利作用,進(jìn)一步凈化和強(qiáng)化晶界,可以加入一些微量元素,諸如硼、鋯、鉿、鎂、鈣、鋇、鑭和鈰等。硼在晶界偏聚,形成M3B2硼化物(見高溫合金材料的間隙相)進(jìn)行強(qiáng)化。硼能抑制晶界片層狀、胞狀析出相以及改善碳化物密集不均勻分布的狀態(tài),因而對熱強(qiáng)性有利。鐵、鎳基高溫合金中硼含量總在0.05%以下,通??刂圃?.01%~0.02%左右。鑄造高溫合金中硼含量略高,一般可達(dá)0.02%~0.03%左右。鋯和硼有類似作用,但其效果不如硼大。鎂是晶界偏聚元素,使晶界碳化物呈顆粒狀分布,因而阻止沿晶裂紋的快速擴(kuò)展,有利于熱強(qiáng)性。鎂使高溫合金的蠕變第二階段延長,第三階段擴(kuò)展,因而獲得高的塑性和長的斷裂壽命。由于鎂使持久斷裂塑性提高,可以大大改善持久缺口敏感性。鎂還有去除雜質(zhì)元素的潔凈作用。鎂、鈣、鋇、鑭和鈰等元素由于化學(xué)性活潑,與氧有很大的親和力,可以在冶煉過程中起良好的脫氧去氣作用,又能和一些低熔點(diǎn)雜質(zhì)生成密度較小的難熔化合物,消除有害雜質(zhì)在晶界的不利作用。這些微量元素的加入量都有一個******量,過量加入反而會使熱強(qiáng)性下降。
2016-10-13高溫合金的類別 760℃高溫材料變形高溫合金
變形高溫合金是指可以進(jìn)行熱、冷變形加工,工作溫度范圍-253~1320℃,具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)、韌性指標(biāo),具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強(qiáng)化型合金和時效強(qiáng)化型合金。GH后第一位數(shù)字表示分類號即1、固溶強(qiáng)化型鐵基合金 2、時效硬化型鐵基合金 3、固溶強(qiáng)化型鎳基合金 4、鈷基合金 GH后,二,三,四位數(shù)字表示順序號。
1、固溶強(qiáng)化型合金
使用溫度范圍為900~1300℃,最高抗氧化溫度達(dá)1320℃。例如GH128合金,室溫拉伸強(qiáng)度為850MPa、屈服強(qiáng)度為350MPa;1000℃拉伸強(qiáng)度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室、機(jī)匣等部件。
2、時效強(qiáng)化型合金
使用溫度為-253~950℃,一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)的渦輪盤與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253~700℃,要求具有良好的高低溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。例如:GH4169合金,在650℃的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa;制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃,例如:GH220合金,950℃的拉伸強(qiáng)度為490MPa,940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點(diǎn)是:
1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能,合金的設(shè)計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金,可通過調(diào)整成分使γ’含量達(dá)60%或更高,從而在高達(dá)合金熔點(diǎn)85%的溫度下,合金仍能保持優(yōu)良性能。
2.具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)零件的使用需要,設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度,可以分為以下三類:
第一類:在-253~650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能,特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機(jī)上用量較大的K4169合金,其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%;650℃,620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。
第二類:在650~950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金,950℃時,拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%;950℃,200小時的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。
第三類:在950~1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金,1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料,適用于制作新型高性能發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片。