鎳基高溫合金類別

一、變形高溫合金

變形高溫合金是指工作溫度范圍內(nèi)的熱冷變形加工-253～1320℃，一種機(jī)械性能好、韌性指標(biāo)全面、抗氧化、耐腐蝕性高的合金。根據(jù)其熱處理工藝，可分為固溶強(qiáng)化合金和及時強(qiáng)化合金。

1、固溶強(qiáng)化合金

900~1300℃，很高抗氧化溫度達(dá)到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85000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時，延伸率為40固溶合金，一般用于制造航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室、機(jī)箱等部件。

2、時效強(qiáng)化合金

使用溫度為-253～950℃，渦輪盤和葉片通常用于制造航空和航天發(fā)動機(jī)。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。 例如：GH4169合金，在650℃很高屈服強(qiáng)度達(dá)到1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃，例如：GH220合金，950℃拉伸強(qiáng)度為490MPa，940℃、200MPa持久壽命超過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、蛋糕、環(huán)、棒、板、管、帶、絲。

二、鑄造高溫合金

鑄造高溫合金是指一種可以或只能通過鑄造成型零件的高溫合金。其主要特點(diǎn)是：

1. 成分范圍更廣。 由于不需要考慮其變形加工性能，合金的設(shè)計可以考慮優(yōu)化其使用性能。例如，對于鎳基高溫合金，可以通過調(diào)整成分來制造γ含量高達(dá)60，因此合金在高達(dá)85合金熔點(diǎn)的溫度下仍能保持良好的性能。

2. 具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 由于鑄造方法的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要設(shè)計和制造任何復(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，可分為以下三類：

首類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這種合金在很大范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下，可以保持強(qiáng)度和塑性不會下降。例如，在航空和航天發(fā)動機(jī)上的大量使用K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制造航空發(fā)動機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)箱和航空發(fā)動機(jī)中各種泵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

第二類: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℃拉伸強(qiáng)度大于時700MPa、拉伸塑性大于6950℃，200小時的持久強(qiáng)度專業(yè)大于230MPa。適用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片和整鑄渦輪。

第三類: 950~1100℃定向凝固柱晶和單晶高溫合金 這種合金在這個溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的綜合性能、抗氧化性和耐熱性。DD402單晶合金，1100℃、130MPa持久壽命超過100小時。這是中國使用溫度很高的渦輪葉片材料，適用于制造新型高性能發(fā)動機(jī)的渦輪葉片。

隨著精密鑄造技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)和復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)CA鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。

三、粉末冶金高溫合金

高溫合金粉末產(chǎn)品采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后鍛造而成。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒小，冷卻速度快，成分均勻，無宏觀分析，晶粒小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，特別是合金的屈服強(qiáng)度和疲勞性能大大提高。

FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強(qiáng)度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時，是當(dāng)前在650℃粉末冶金高溫合金是工作條件下強(qiáng)度水平很高的盤件。粉末冶金高溫合金能滿足高應(yīng)力發(fā)動機(jī)的使用要求，是高推重比發(fā)動機(jī)渦輪盤、壓縮機(jī)盤、渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

四、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金

采用獨(dú)特的機(jī)械合金化(MA)工藝，超細(xì)(小于)50nm)它是一種特殊的高溫合金，具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)化，均勻分散在合金基體中。其合金強(qiáng)度在接近合金本身熔點(diǎn)的情況下仍能維持，具有優(yōu)異的高溫蠕變性能、優(yōu)異的高溫抗氧化性能、耐碳、硫腐蝕性能。

商業(yè)生產(chǎn)主要有三種ODS合金：

MA956在氧化氣氛合金的使用溫度可達(dá)1350℃，高溫合金抗氧化、耐碳、硫腐蝕首。可用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)襯。

MA754在氧化氣氛合金的使用溫度可達(dá)1250℃并保持相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向器環(huán)和導(dǎo)向葉片。

MA6000合金 在1100℃拉伸強(qiáng)度為222MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；1100℃，1000小時持久強(qiáng)度為127MPa，首種高溫合金可用于航空發(fā)動機(jī)葉片。

五、金屬間化合物高溫材料

金屬間化合物高溫材料是一種具有重要應(yīng)用前景的輕比例高溫材料。十多年來，金屬間化合物的基礎(chǔ)研究、合金設(shè)計、工藝開發(fā)和應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，特別是在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al在制備加工技術(shù)、韌化和強(qiáng)化、力學(xué)性能和應(yīng)用研究方面取得了顯著成績。

Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb低密度基合金（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強(qiáng)度、高鋼、優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，可使結(jié)構(gòu)件減重35~50 Ni3Al基合金，MX-246具有良好的耐腐蝕性、耐磨性和耐腐蝕性，具有良好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金在中溫下具有良好的抗氧化耐磨性(小于)600℃）強(qiáng)度高，成本低，是一種可部分替代不銹鋼的新材料。

鎳基高溫合金的發(fā)展過程

鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)于20世紀(jì)30年代末開發(fā)。1941年，英國首次生產(chǎn)鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強(qiáng)度和添加鋁，開發(fā)了Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。20世紀(jì)40年代中期，蘇聯(lián)在20世紀(jì)40年代末開發(fā)了鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)過程的創(chuàng)新。20世紀(jì)50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展為含有高鋁和鈦的鎳基合金的煉制創(chuàng)造了條件。早期的鎳基合金大多是變形合金。20世紀(jì)50年代末，由于渦輪葉片工作溫度的提高，合金需要更高的高溫強(qiáng)度，但合金強(qiáng)度高，難以變形，甚至不能變形，因此采用熔體模具精密鑄造工藝，開發(fā)了一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。20世紀(jì)60年代中期開發(fā)了更好的定向結(jié)晶、單晶高溫合金和粉末冶金高溫合金。為了滿足船舶和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，自20世紀(jì)60年代以來，開發(fā)了一批耐熱腐蝕性好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。從20世紀(jì)40年代初到70年代末，鎳基合金的工作溫度從 開始700℃提高到1100℃，平均每年都在增加10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢見圖1。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢