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镍基高温合金的发展趋势 以镍为基体(含量一般大于50%) 在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗燃气腐蚀能力的高温合金。 发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);为了提高蠕变强度又添加铝,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期,苏联于40年代后期,中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面:合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初,真空熔炼技术的发展,为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期,由于涡轮叶片工作温度的提高,要求合金有更高的高温强度,但是合金的强度高了,就难以变形,甚至不能变形,于是采用熔模精密铸造工艺,发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要,60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内,镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃,平均每年提高10℃左右。
镍基耐蚀合金多具有奥氏体组织。在固溶和时效处理状态下,合金的奥氏体基体和晶界上还有金属间相和金属的碳氮化物存在,各种耐蚀合金按成分分类及其特性如下:
Ni-Cu合金 在还原性介质中耐蚀性优于镍,而在氧化性介质中耐蚀性又优于铜,它在无氧和氧化剂的条件下,是耐高温氟气、氟化氢和***的的材料(见金属腐蚀)。
Ni-Cr合金 主要在氧化性介质条件下使用。抗高温氧化和含硫、钒等气体的腐蚀,其耐蚀性随铬含量的增加而增强。这类合金也具有较好的耐氢氧化物(如NaOH、KOH)腐蚀和耐应力腐蚀的能力。
Ni-Mo合金 主要在还原性介质腐蚀的条件下使用。它是耐yan酸腐蚀的的一种合金,但在有氧和氧化剂存在时,耐蚀性会显著下降。
Ni-Cr-Mo(W)合金 兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化-还原混合介质条件下使用。这类合金在高温氟化氢气中、在含氧和氧化剂的yan酸、***溶液中以及在室温下的湿lv气中耐蚀性良好。
Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蚀的能力,在一些氧化-还原性混合酸中也有很好的耐蚀性。
涡 是航空发动机上一个十分重要的关键零件。涡 工作温度虽然比叶片低,但工作环境异常复杂,且在轮心、轮缘、榫齿、槽底和腹板等各部位所受应力、温度、介质作用程度都不同。因此,对涡 材料性能提出如下典型要求:高的屈服强度;足够的塑性储备;足够的蠕变、持久强度和塑性;高的疲劳强度和低周疲劳性能;良好的耐腐蚀性、组织稳定性与可加工性。一句话,材料的综合性能要好。
涡 用材料大部分是沉淀强化的铁基或镍基变形高温合金,一些盘件开始采用粉末高温合金制备,但是从制备工序、成本等角度考虑,粉末高温合金涡 无法替代变形高温合金涡 。 [1]
航空发动机用的机匣、转子封严环和蜂窝环零件国内外较多地采用低膨胀高温合金制备。低膨胀合金是发动机实现间隙控制技术,减少燃气损失和提高热效率不可替代的功能结构材料。低膨胀高温合金的特点是综合性能好、强度较高、膨胀系数低、弹性模量几乎恒定,在约380℃(居里点)以下至室温,合金热膨胀系数几乎为常量。因此,采用低膨胀高温合金制备的压气机匣在飞机巡航飞行时,有利于间隙的封严,提高压气效率,加大推力。我国研制的低膨胀高温合金主要有GH2907、GH2909、GH4783等。我国新研制的GH4783是一种抗氧化新型低膨胀高温合金,膨胀系数比GH4169合金低20%,密度比GH4169低20%,只有7.789/cm3,工作温度可达750℃。对应的美国牌号的Inconel783合金已被用作F-22战斗机用发动机F119-PW的各种环形件。
我国应用的板材变形合金主要有20多个牌号。它们的共同特点是塑性好,具有中等强度,焊接性能优异,还有较好的抗氧化和抗腐蚀性能。主要用于制作发动机动力装置的燃烧室、加力燃烧室、飞机机尾罩、导流罩、衬筒和军用卫星毛细管等。航空发动机燃烧室零件大多采用固溶强化合金制造。近期,发动机生产中为了减轻结构重量,采用时效强化的板材合金来制造燃烧室零件,取得了良好效果。采用时效强化的变形高温合金制造加力燃烧室壳体,可大幅度减轻发动机重量,但其成形和焊接比固溶强化合金要困难。
此外,在航空发动机中,变形高温合金还用于制备涡轮轴、涡轮叶片等。随着先进航空发动机推重比的进一步提高,燃烧室入口温度和出口温度大幅提高,必须采用耐更高温度的新合金材料。需求牵引。因此,变形高温合金必须加大研究力度,进一步提高性能,满足我国先进航空发动机的研制需要。 [1]
发展前景编辑
变形高温合金不但是我国生产和研制新型航空发动机需要的重要材料,而且在舰船制造、工业燃气轮机、航天飞行器、火箭发动机、核反应堆和化学工业等领域应用广泛,是一种十分重要的高温材料。当前,变形高温合金总体上向承温更高、精密成形和低成本方向发展。通过不断挖掘合金潜力,采用新技术、新工艺,可大幅提高变形高温合金材料的质量和性能,满足我国先进航空发动机的需求。须加大研究力度,进一步提高性能,满足我国先进航空发动机的研制需要。 [2]
所谓双相不锈钢是在其固淬组织中铁素体相与奥氏体相各占一半,一般最少相的含量也需要达到30%。
由于两相组织的特点,通过正确控制化学成分和热处理工艺,使DSS(Duplex Stainless Steel,简称DSS),兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。
与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢的优势如下:
⑴屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多,且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%,有利于降低成本。
⑵具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力,即使是含合金量 的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力,尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。
⑶在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢,而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性,在一些介质中,如醋酸,甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢,乃至耐蚀合金。
⑷具有良好的耐局部腐蚀性能,与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比,它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。
⑸比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低,和碳钢接近,适合与碳钢连接,具有重要的工程意义,如生产复合板或衬里等。
⑹不论在动载或静载条件下,比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力,这对结构件应付突发事故如冲撞,爆炸等,双相不锈钢优势明显,有实际应用价值。
与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢的弱势如下:
⑴应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢,例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。
⑵其塑韧性较奥氏体不锈钢低,冷,热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。
⑶存在中温脆性区,需要严格控制热处理和焊接的工艺制度,以避免有害相的出现,损害性能。
与铁素体不锈钢相比,双相不锈钢的优势如下:
⑴综合力学性能比铁素体不锈钢好,尤其是塑韧性,不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。
⑵除耐应力腐蚀性能外,其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。
⑶冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。
⑷焊接性能也远优于铁素体不锈钢,一般焊前不需预热,焊后不需热处理。
⑸应用范围较铁素体不锈钢宽。与铁素体不锈钢相比,双相不锈钢的弱势如下:合金元素含量高,价格相对高,一般铁素体不含镍。
综上所述,可以概括地看出DSS的使用性能和工艺性能的样貌,它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐,已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。
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