什么是高温合金?

什么是高温合金?

[拼音]：gaowen hejin

[外文]：superalloys

在 600～1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等(见金属的强化)。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件（图1）;还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

发展过程

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在 80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ┡相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用 Vitallium钴基合金制作叶片。此外，美国还研制出 Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的 “Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中，加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如 X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现 A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和“ЖС”系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金，逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

提高强度的方法

高温合金应具有高的蠕变强度和持久强度（见蠕变）、良好的抗热疲劳和机械疲劳性能（见疲劳）、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能以及组织稳定，其中以蠕变强度和持久强度最为重要。提高高温合金强度的途径有：

固溶强化

加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。

沉淀强化

通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ┡、γ"、碳化物等），以强化合金（见合金相）。γ┡相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ┡相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ┡相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ┡相为Ni3(Al，Ti)。γ┡相的强化效应可通过以下途径得到加强：

（1）增加γ┡相的数量；

（2）使γ┡相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；

（3）加入铌、钽等元素增大γ┡相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；

（4）加入钴、钨、钼等元素提高γ┡相的强度。γ"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大，能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ┡相，而用碳化物强化。

晶界强化

在高温下，合金的晶界是薄弱环节（见界面），加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界，硼、锆原子能填充晶界空位，降低蠕变过程中晶界扩散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促进晶界第二相球化。另外，铸造合金中加适量的铪，也能改善晶界的强度和塑性。还可通过热处理在晶界形成链状分布的碳化物或造成弯曲晶界，提高塑性和强度。

氧化物弥散强化

通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物，呈弥散分布状态，从而获得显著的强化效应。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。这些氧化物是通过阻碍位错运动和稳定位错亚结构等因素而使合金得到强化的。

典型牌号

70年代典型的综合性能较好的高温合金牌号及其化学成分见表。就高温下持久强度来说，镍基合金最高，钴基合金次之，铁基合金较低（图2）。

制造工艺

不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣炉。

固溶强化型合金和含铝、钛低（铝和钛的总量约小于 4.5％）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。

合金化程度较高、不易变形的合金，目前广泛采用精密铸造成型，例如铸造涡轮叶片和导向叶片。为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件（见金属的凝固）。此外，为了消除全部晶界，近年来还研究单晶叶片的制造工艺。

粉末冶金工艺

主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。

综合处理

高温合金的性能同合金的组织有密切关系，而组织是受金属热处理控制的。高温合金一般需经过热处理。沉淀强化型合金通常经过固溶处理和时效处理。固溶强化型合金只经过固溶处理。有些合金在时效处理前还要经过一两次中间处理。固溶处理首先是为了使第二相溶入合金基体，以便在时效处理时使γ┡、碳化物（钴基合金）等强化相均匀析出，其次是为了获得适宜的晶粒度以保证高温蠕变和持久性能。固溶处理温度一般为1040～1220℃。目前广泛应用的合金，在时效处理前多经过1050～1100℃中间处理。中间处理的主要作用是在晶界析出碳化物和γ┡膜以改善晶界状态，与此同时有的合金还析出一些颗粒较大的γ┡相与时效处理时析出的细小γ┡相形成合理搭配。时效处理的目的是使过饱和固溶体均匀析出γ┡相或碳化物(钴基合金)以提高高温强度，时效处理温度一般为700～1000℃。

发展趋势

高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度?透纳浦形禄蚋呶孪鲁惺芨髦衷睾傻哪芰Γ映ず辖鹗倜＞臀新忠镀牧隙裕ゾб镀胧涤媒锥危ㄏ蚪峋б镀淖酆闲阅芙玫礁慕４送猓锌赡懿捎眉だ涮辖鸱勰┲圃於嗖憷┥⒘拥目招囊镀佣视μ岣呷计露鹊男枰＞偷枷蛞镀腿忌帐也牧隙裕锌赡苁褂醚趸锩稚⑶炕暮辖穑源蠓忍岣呤褂梦露取Ｎ颂岣呖垢春湍湍ナ葱阅埽辖鸬姆阑ね坎悴牧虾凸ひ找步竦媒徊椒⒄埂＃释迹?

参考书目

W.Betteridge，J.Heslop， The Nimonic Alloys，2nded.，Edward Arnold，London，1974.C.T.Sims，W.C.Hagel， The Superalloys，John Wiley& Sons，New York，1972.B.H.Kear，E.R.Thompson，Science，Vol.208，No.4446，pp.847～856，1980.