鎳基高溫合金的研發動態

  鎳(nie)基合(he)金(jin)是(shi)高溫(wen)合(he)金(jin)中(zhong)應用范圍最為(wei)廣泛的(de)(de)(de)一種合(he)金(jin),特別是(shi)在航空航天領(ling)(ling)域(yu)和國(guo)防領(ling)(ling)域(yu),例如(ru)航空發(fa)動機、導彈等尖端設備的(de)(de)(de)研制,占有(you)重(zhong)(zhong)要(yao)地位。由于鎳(nie)基合(he)金(jin)中(zhong)可以(yi)溶(rong)解多(duo)種合(he)金(jin)元素,且能(neng)(neng)保持較好(hao)的(de)(de)(de)組織穩定性,這(zhe)為(wei)其(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)改(gai)善提供(gong)了許(xu)多(duo)途(tu)徑。科技的(de)(de)(de)發(fa)展對鎳(nie)基高溫(wen)合(he)金(jin)提出了更高的(de)(de)(de)要(yao)求,為(wei)滿足(zu)市場需求,必須對鎳(nie)基高溫(wen)合(he)金(jin)加快研究,提高其(qi)綜合(he)性能(neng)(neng)。合(he)金(jin)化優化設計就是(shi)這(zhe)個研發(fa)工作中(zhong)一個重(zhong)(zhong)點。

  一、固溶強化

  對鎳基(ji)高(gao)(gao)溫(wen)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)性(xing)能(neng)(neng)強(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要手(shou)段是添加適量的(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)強(qiang)化(hua)(hua)元(yuan)(yuan)(yuan)素。固(gu)溶(rong)強(qiang)化(hua)(hua)型合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)有(you)著優良(liang)的(de)(de)(de)(de)抗氧化(hua)(hua)和抗疲勞(lao)性(xing)能(neng)(neng),同(tong)時(shi)還有(you)較好的(de)(de)(de)(de)可(ke)塑性(xing);其(qi)最突出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)優點是組(zu)織穩定(ding)性(xing)。基(ji)于這(zhe)些特(te)性(xing),鎳基(ji)高(gao)(gao)溫(wen)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)可(ke)用于生產工作(zuo)溫(wen)度較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)零部件,如發動機的(de)(de)(de)(de)扇葉。鎳的(de)(de)(de)(de)原子(zi)半徑和鎢、鉬(mu)等(deng)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)原子(zi)半徑接近,基(ji)于這(zhe)些特(te)性(xing),可(ke)使(shi)鎳同(tong)時(shi)溶(rong)解大量的(de)(de)(de)(de)鎢、鉬(mu)和鈷等(deng)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素,卻不(bu)會(hui)出(chu)(chu)現新的(de)(de)(de)(de)相(xiang)。研究(jiu)表明,常見金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)溫(wen)度范圍一般在1050~1560℃之(zhi)間(jian)。美(mei)國(guo)研制出(chu)(chu)一種(zhong)性(xing)能(neng)(neng)優良(liang)的(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)強(qiang)化(hua)(hua)型合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)——鎳基(ji)變形高(gao)(gao)溫(wen)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)Haynes280,這(zhe)種(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)在1400℃的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)時(shi),強(qiang)度可(ke)達(da)(da)165MPa、延伸(shen)率可(ke)達(da)(da)87%。其(qi)主(zhu)要是因為在合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中加入(ru)了難熔金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)元(yuan)(yuan)(yuan)素,例如鎢和鉻等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素;同(tong)時(shi)在研制過程中添加少量的(de)(de)(de)(de)碳元(yuan)(yuan)(yuan)素以形成(cheng)碳化(hua)(hua)物,達(da)(da)到阻(zu)礙晶粒長大和強(qiang)化(hua)(hua)晶界的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。

  研究還表明,通(tong)過(guo)(guo)加入大量(liang)的鉬等難熔(rong)金(jin)屬元素,可(ke)以提高合(he)金(jin)的強度;通(tong)過(guo)(guo)加入釕元素可(ke)以提高合(he)金(jin)的組織穩定(ding)(ding)性;通(tong)過(guo)(guo)加入一定(ding)(ding)數量(liang)的鎢(wu)等難熔(rong)金(jin)屬,可(ke)以在一定(ding)(ding)情況下提高合(he)金(jin)的抗(kang)腐蝕(shi)性能;通(tong)過(guo)(guo)添加一定(ding)(ding)量(liang)的稀土可(ke)以極大地改善抗(kang)氧(yang)化腐蝕(shi)的性能。

  二、沉淀強化和彌散強化

  對(dui)鎳(nie)(nie)基(ji)(ji)高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)金添(tian)加一定量(liang)的(de)沉淀強(qiang)化(hua)元素可(ke)以使合(he)(he)(he)(he)金在(zai)時效時析(xi)(xi)出γ'-Ni3(Al,Ti))相(xiang)(xiang),大(da)大(da)提高金屬的(de)強(qiang)度(du)(du)(du)。但是在(zai)高溫(wen)工(gong)作條件(jian)下(xia)(xia)(xia),析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)容易聚集長大(da),有(you)的(de)還(huan)會重(zhong)新固溶于(yu)基(ji)(ji)體(ti)中,從而降低高溫(wen)強(qiang)度(du)(du)(du)。近(jin)年來氧(yang)(yang)化(hua)物彌散強(qiang)化(hua)的(de)鎳(nie)(nie)基(ji)(ji)高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)金得到重(zhong)視。這類合(he)(he)(he)(he)金通常(chang)采用機械(xie)合(he)(he)(he)(he)金化(hua)工(gong)藝,獲得超細的(de)(小(xiao)于(yu)50nm)在(zai)高溫(wen)下(xia)(xia)(xia)穩定的(de)氧(yang)(yang)化(hua)物均勻(yun)分散于(yu)合(he)(he)(he)(he)金基(ji)(ji)體(ti)中的(de)顯微組織。其合(he)(he)(he)(he)金強(qiang)度(du)(du)(du)在(zai)接近(jin)合(he)(he)(he)(he)金本身(shen)熔(rong)點(dian)的(de)條件(jian)下(xia)(xia)(xia)仍可(ke)維持(chi),具有(you)優(you)良的(de)高溫(wen)蠕變性能(neng)、優(you)越(yue)的(de)高溫(wen)抗氧(yang)(yang)化(hua)性能(neng)及抗碳、硫(liu)腐蝕性能(neng)。目前已實現商業化(hua)生產的(de)主要有(you)三種氧(yang)(yang)化(hua)物彌散強(qiang)化(hua)的(de)鎳(nie)(nie)基(ji)(ji)高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)金:MA956合(he)(he)(he)(he)金在(zai)氧(yang)(yang)化(hua)氣氛下(xia)(xia)(xia)使用溫(wen)度(du)(du)(du)可(ke)達(da)1350℃,居高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)金抗氧(yang)(yang)化(hua)、抗碳、硫(liu)腐蝕之首位,可(ke)用于(yu)航(hang)空發動機燃燒室內(nei)襯。MA754合(he)(he)(he)(he)金在(zai)氧(yang)(yang)化(hua)氣氛下(xia)(xia)(xia)使用溫(wen)度(du)(du)(du)可(ke)達(da)1250℃并保(bao)持(chi)相(xiang)(xiang)當(dang)高的(de)高溫(wen)強(qiang)度(du)(du)(du)、耐中堿玻(bo)璃腐蝕,現已用于(yu)制作航(hang)空發動機導向器蓖齒環和導向葉片(pian)。MA6000合(he)(he)(he)(he)金在(zai)1100℃拉伸強(qiang)度(du)(du)(du)為(wei)222MPa,屈服強(qiang)度(du)(du)(du)為(wei)192MPa;1100℃/1000小(xiao)時持(chi)久強(qiang)度(du)(du)(du)為(wei)127MPa,居高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)金之首位,可(ke)用于(yu)航(hang)空發動機葉片(pian)。

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