1.1 高温合金 1.1.1 高温合金及其展开概略 高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在 600℃以上温度，必定应力条件下 习惯不同环境短时或长时运用的金属资料。具有较高的高温强度、塑性，杰出的 抗氧化、抗热腐蚀功能，杰出的热疲惫功能，开裂韧性，杰出的安排安稳性和使 用可靠性。 高温合金为单一奥氏体安排，在各种温度下具有杰出的安排安稳性和 运用的可靠性，根据上述功能特征，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称 之为超合金（Superalloy）。 高温合金于 20 世纪 40 时代面世， 开端便是为满意喷气发起机对资料的耐高 温文高强度要求而研发的， 高温合金的展开与航空发起机的前进密切相关，1939 年英国 Mond 镍公司首要研讨出 Nimonic75，随后又研讨出 Nimonic80 合金，并 在 1942 年景功用作涡轮气发起机的叶片资料，尔后该公司又在合金中参加硼、 锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功 Nimonic80A、Nimonic90 等合金，构成 Nimonic 合金系列。现在先进航空发起机中高温合金用量已超越 50%。此外，在 航天、核工程、动力动力、交通运输、石油化工、冶金等范畴得到广泛的运用。 高温合金在满意不同运用条件中得到展开，构成各种系列的合金，除传统的高温 合金外，还开宣布一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。 高温合金是航空发起机、 火箭发起机、燃气轮机等高温热端部件的不行替代 的资料，因为其用处的重要性，对资料的质量操控与检测十分严厉。高温合金的 根本用处仍旧是飞行器的燃气轮发起机的高温部分， 它要占先进的发起机分量的 50％ 以上。可是，这些资料在高温下极好的功能已使其用处远远超出了这一行 业。除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及轿车 用处的涡轮发起机上。详细的发起机部件包含涡轮盘、叶片、紧缩机轮、轴、燃 烧室、后焚烧部件以及发起机螺栓。除了燃气发起机职业之外，高温合金还被选 择用于火箭发起机、世界、石油化工、动力出产、内焚烧发起机、金属成形(热 加工工模具)、热处理设备、核电反响堆和煤转化设备。 1956 年我国正式开端研讨高温合金，第一种高温合金是 GH3030，用作 WP-5 火焰筒。上个世纪 60 时代先后研发成功 GH4037、K417 等。至 70 时代初，我国 高温合金的出产研讨现已初具规模，在这一阶段，首要是拷贝、展开苏联高温合 金及其工艺，质量到达了适当水平。70 时代后，我国开端引入和试制了一批欧 美系统的高温合金，研讨出产了一批新式镍基合金，如 GH4133、GH4133B、K405 等。几十年来，我国现已研讨出产了 100 多种高温合金，构成了较为齐备的研讨 出产系统， 一起展开了一系列具有特征的工艺技能，为我国航空事业供给了有力 的保证。 高温合金的展开首要阅历了几个阶段：二十世纪 40 时代曾经提出概念， 40-50 时代完成在喷气发起机的运用， 50-60 时代在真空熔炼技能获得严重开展， 60-70 时代会集在合金化方面，70 时代后首要在工艺研讨方面，定向凝结、单晶 合金、 粉末冶金、 机械合金化和陶瓷过滤等新工艺成为高温合金展开的首要动力， 其间定向凝结工艺制备的单晶合金尤为重要， 在航空发起机涡轮叶片中运用尤为 广泛。二十世纪 80 时代以来，国内外广泛展开数值模仿研讨，获得了重要开展， 并在此基础上展开了显微安排及冶金缺点猜测研讨。 1.1.2 高温合金的品种 （一）铁基高温合金 铁基高温合金的界说是， 这些合金的首要组分为铁，并含有适当数量的铬和 镍，一般镍含量大约为 25%-55%，Ni+Fe≥65%为基，尽或许含有少数的钼和钨。 因为铁基高温合金中镍含量较高，所以也称铁-镍基高温合金。其强化方法为碳 化物或金属间化合物沉积强化和固溶强化。金属间化合物一般为 Ni3(Al,Ti)即 ?’相。铁基高温合金是由奥氏体不锈钢演化而来的。 各种合金元素的参加对合金带来一种或多种所希望的功能。 关于具有面心立 方母体的合金，最有用地强化是由像 Ni、Al、Ti、Nb 这样的元素完成的。这类 合金也可经过参加相对许多的碳(约 0.5%)以构成碳化物沉积来强化，有时参加 氮和磷以添加这种效果。 （二）钴基高温合金 钴基高温合金是以钴作为首要成分， 含有适当数量的镍、 铬、 钨和少数的钼、 铌、钽、钛、镧。偶尔也还含有铁的一类合金，与其他高温合金不同，它不是由 与基体结实结合的有序沉积相来强化， 而是由已被固溶强化的奥氏体 fcc 母体和 母体中散布少数碳化物组成。 铸造钴基高温合金却是在很大程度上依托碳化物强 化。纯钴晶体在 417℃以下是密排六方（hcp）晶体结构，在更高温度下改变为 fcc。为了防止钴基合金在运用时产生这种改变，实际上一切钴基合金由镍合金 化， 以便在室温到熔点温度范围内使安排安稳化。钴基合金具有平整的开裂应力 -温度联系，但在 1000℃以上却显示出比其他高温下具有优异的抗热腐蚀功能， 这或许是因为该合金含铬量较高，这是这类合金的一个特征。钴基合金比镍基合 金的焊接功能和抗热疲惫功能更好。 （三）镍基高温合金 镍基高温合金是指在 650℃-1200℃范围内运用，以镍为基体的奥氏体型合 金。具有在运用温度下较高的强度，优秀的抗氧化和抗腐蚀性，是运用最广泛的 高温合金。镍基高温合金广泛地运用于制作航空发起机、各类燃气轮机热部件， 如涡轮部分的作业叶片、导向热片、涡轮盘和焚烧室等，因为镍基高温合金的工 作温度高、安排安稳，有害相少，抗氧抗热腐蚀性好，能在较高温度和应力条件 下作业， 因而在高温合金中占重要方位。现在先进的发起机上镍基高温合金已占 总量重的一半左右， 不只涡轮叶片和焚烧室，而且涡轮盘乃至压气机叶片也开端 运用镍基合金。镍基高温合金按工艺分为变形、铸造（定向、单向、共晶）、弥 散强化机械合金化， 快速凝结粉末合金四类，依托新工艺开发不只可进步高温合 金功能，还相应开宣布多种新合金。 1 镍基变形高温合金 镍基变形高温合金是以镍为基体（大于 50%）的可塑性变形的高温合金。在 650℃-1200℃温度下具有较高的强度，杰出的抗氧化和抗燃气腐蚀才能。分为固 溶体强化和沉积强化两类。自 1941 年英国创造第一种 Nimonic75 合金以来，由 于其基体安稳， 合金化强化潜力大， 归纳功能优异等， 得到系列展开和广泛运用。 ⑴固溶强化型合金。 经过添加与 Ni 原子尺度不同的 W,Mo,Cr 等使基体晶格畸变；参加下降合金 层错能元素 Co； 减缓基体分散速率元素 W,Mo 等， 可获得必定高温强度、 抗氧化、 抗燃气腐蚀，冷热疲惫功能好，具有杰出冷成型和焊接功能的系列合金。 ⑵沉积强化型合金。 首要是经过固溶处理进行时效处理；从过饱和固溶体 γ 中沉积出 γ ’相， 阻挠位错运动而完成强化合金。 其次辅佐以固溶强化和晶界强化。具有较高的高 温蠕变强度、抗疲惫功能与抗氧化、抗腐蚀功能。 2 镍基铸造高温合金 镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金。在 600℃ -1100℃的氧化和燃气腐蚀气氛中，可接受凌乱应力长时间可靠的运用。广泛运用 于制作燃气涡轮发起机导向叶片、涡轮转子叶片以及航天、动力、石油化工等领 域的高温结构件。 固溶强化是经过向基体中添加不同量的 Cr,Co,W,Mo,Ta,Nb 等元素，进步原 子间结合力，使晶格畸变，下降堆垛层错能，产生短程有序及其原子偏聚，阻挠 位错运动，下降固溶体中元素分散系数，强化合金基体。沉积强化是经过添加 Al,Ti,Nb,Ta,Hf,Re 等元素，构成安稳的 γ ’相；参加 C,B 等元素与 Cr,Ti,Nb,Hf,W,Mo 等构成各类碳化物，强化合金及晶界，强化效果取决于强化 相的类型、数量、形状、巨细和散布。晶界强化经过参加微量 B,Zr 稀土元素添 补原子空位，进步晶界合金化程度，净化晶界，减缓晶界分散，强化在高温应力 效果下合金的薄弱环节晶界。 1.1.3 高温合金的强化 （一）强化原理 1 固溶强化 固溶强化是将一些合金元素参加到铁、镍或钴基高温合金中，而仅构成单相 奥氏体来到达强化的意图。 高温合金中，合金元素的固溶强化效果首要是与溶质 和溶剂原子尺度要素不同相关联， 此外两种原子的电子要素不同和化学要素不同 都有很大影响，而这些要素也是决议合金元素在基体中的溶解度的要素。 固溶强化进步热强性首要反映在两方面： （1） 经过原子结合力的进步和晶格的畸变，使在固溶体中的滑移阻力添加， 也便是使滑移变形困难而强化，这在温度 T≤0.6T 熔（熔点的绝对温度）时是相 当重要的。 （2） 在高温运用条件下 （T≥0.6T 熔） 更为杰出的是经过原子结合力的进步， 下降固溶体中元素的分散才能， 进步再结熔晶温度，阻挠分散式形变进程的进行， 因而直接影响滑移变形对形变量的奉献。 2 第二相强化 （1）内应力场的效果 以 γ ’相强化为例，因为 γ ’相在基体中共格分出， 而在 γ ’相周围构成高的弹性应力场。显着 γ ’相与基体的点阵错配度越大， 内应力场也越强，相应得强化效果也应该是越显着，一起也增大了 γ ’相自身 的不安稳性。 （2）位错在第二相前受阻，经过火散安排绕过第二相妨碍的效果 （3）位错与第二相颗粒的交互效果 铁、镍及高温合金中分出的 γ ’相，由 于它与基体共格，具有与基体 γ 相同的晶体点阵，所以它能够被在基体滑移面 上移动的位错所切开，构成超点阵位错和反相畴界。 第二相质点的巨细、距离、数量及散布，直接影响其强化机制。 3 晶界强化 与室温强化相反， 晶界在高温形变时表现为薄弱环节，因而在破断时出现晶 间开裂的特征。晶界的晶体结构不规则，原子摆放凌乱，晶格歪扭，一起又有各 种晶体缺点（如位错、空泛等）存在。在室温快速形变下，因为晶界不参加形变， 而且可阻挠晶内滑移的贯穿，因而有利于合金的强化。可是，在高温蠕变时，晶 界弱化并参加变形，有时晶界形变量乃至可占总形变量的 50%。在某种程度上可 以以为，在常温下，晶界强度比晶内高，但晶界强度随温度升高下降的很快，在 某一温度区间，晶内强度与晶界强度大致适当。温度再升高，晶界强度就比晶内 强度低。 晶界经过多种途径对多晶资料产生严重的影响 （1）位向的效果。这儿仅指晶界两头的晶粒位向不同而构成的影响； （2）晶界区结构的效果。这儿不只指晶界去自身的结构和缺点特征，而且 还指在晶界区存在的第二相质点的状况，及晶界区的其它安排结构特征； （3）晶界区化学成分（偏析）的效果。因为晶界区的结构和缺点特征，会 带来杂质元素或其它元素（特别是微量元素）的偏析；因为晶界区的某些动力学 现象，构成元素的部分贫富。 晶界的强化方法： ①添加有利的合金化元素，首要包含稀土元素，镁、钙、钡、硼、锆等元素。 这些元素往往经过净化合金及微合金化两个方面来改进合金。 稀土元素和碱土元 素净化合金的效果比较显着，而硼、锆、镁等首要起强化晶界效果。 ②操控晶界， 常选用曲折晶界以及撤销横向晶界的手法来进步高温合金的晶 界功能。 4 碳化物强化及质点弥散强化效果 关于以碳化物分出沉积硬化的铁基和钴基高温合金， 因为碳化物硬而脆的本 质及其非共格分出的特征，其强化效果有以下特征： （1）低温下位错以 Orowan 绕过方法经过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位 错攀移机制起重要效果，位错切开碳化物是十分困难的。 （2）并非一切碳化物具有强的时效强化才能，作为首要时效强化相的碳化物， 有必要具有以下条件： 1) 具有高温下能够溶解和低温下分出的或许性。极安稳的碳化物高温下难 于溶解，低温下就不能有用分出。 2）碳化物的结构与奥氏体基体类似，具有均匀分出的条件。晶界碳化物只 对晶界行为产生有利或晦气的影响。 3）作为首要强化相的恶碳化物有必要有必定的安稳性。高温下简单长大的碳 化物将失掉强化效果。 （3）添加碳化物数量及弥散度有利于进步强化效果，但过火高的碳饱和度， 往往有利于构成大块碳化物（共晶及二次分出），引起脆性。一般碳化物总量不 能太大，因而强化程度是有约束的。 （4）强化基体，削减元素的恶分散才能，这关于较易集合长大的碳化物相来 说是至关重要的。 基体固溶体中的位错及层错处是碳化物分出形核处。时效分出 前，固溶体结构状况对碳化物的分出以及碳化物与位错的交互效果有重要影响。 碳化物在运用中产生的应变时效有强的强化效果。 （二）首要合金相 （1）γ’ 相 γ ’相是镍基合金和许多铁基合金的强化相，其点阵常数与 γ 基体附近， 一般相差 1%以下。考虑到高温下 γ ’的安稳性，一般要求 γ 和 γ ’之间只要 较小的失调度。γ ’沿基体的{100}面分出，并与基体共格。γ 和 γ ’之间的界 面能较低，所以 γ ’有较高的安排安稳性。 γ ’相的数量、 尺度和散布对合金的高温强度有重要影响。镍基合金的高温 强度随 γ ’的数量添加而增高。大多数镍基合金中 γ ’相的体积分数为 30%以 上，最强的合金中达 60%以上。合金中 γ ’相的体积分数小时，其颗粒巨细和间 距对合金的功能有重要影响。 （2）TCP 相 TCP 相是指 Laves 相（B2A）?相(BA)、μ 相(B7A6)、?持平。其间 A 元素一般 指周期表中 Mn 族以左的元素，如钛族、钒族、铬族等；B 元素为锰族及锰族以 右的元素，如铁、钴、镍等。它呈板状或针状，在特别成分而且在特定条件下的 合金中才或许构成。这种相存在的或许性随锭块中溶液偏析而增大，TCP 相是高 温合金中的脆性相，使合金开裂强度和塑性下降，对强化产生负效果。 （3）碳化物 一类是具有凌乱结构的碳化物，如 M23C6、M6C，亦称半碳化物，金属原子高 度密排，碳原子处于空隙方位。再者也是密排结构，但因为金属原子比较小，八 面体空隙太小， 容不下空隙原子，所以这种密排结构是具有较大的三棱形空隙的 结构，空隙原子碳就在这种空隙方位，又称非八面体空隙化合物，如 M3C M7C3。 在热处理和服役期，MC 型碳化物倾向于分解为其他碳化物，如 M23C6 和 M6C，并倾 向于在晶界构成。 1.1.4 高温氧化 （一）合金的氧化 合金的氧化与纯金属的氧化存在许多类似之处，纯金属氧化中产生的现象， 也常会在合金氧化中产生。合金氧化行为的特别性表现在： （1） 合金组元的选择性氧化。合金各组元对氧化不同的亲和力，与氧亲和力 大的组元优先氧化。 若此亲和力相差悬殊，乃至或许构成只含有一种合金组分的 氧化膜，即产生组元的选择性氧化，而在基体中该组元则相对地贫化。 （2） 相的选择性氧化。当合金中各相在界面上化学安稳性由显着差异时，则 不安稳相优先氧化，构成合金表层安排不均匀性。 （3） 内氧化。假如合金具有必定的氧溶解度，而且氧向合金内部的分散速率 较快，合金中较生动的组元便在合金内构成氧化物，即产生内氧化。 （4） 合金氧化膜的组成和结构有多种或许方式。当合金氧化时，有时或许只 有其间一种与氧亲和力特别强的组元生成氧化物； 有时则各组成元素均或许产生 氧化，生成各种氧化物。因而，合金的氧化膜在一层中或许由两个或两个以上的 相组成；而纯金属氧化膜，即便由多层组成，各层往往仅仅一个相。 （5） 合金中各种氧化物之间相互效果或许生成氧化物的固溶体或复合氧化 物，构成不同组成联系。 （二）镍基高温合金的抗氧化性 镍基合金是现在在高温高负荷条件下运用的优秀耐蚀合金。镍氧化时只生成 p 型半导体 NiO 膜，其氧化反响速率和氧化膜增加速率都显着低于 Fe 和 Co。因为 NiO 的晶格常数小和晶体中阳离子空穴浓度低，NiO 锈皮具有很好的细密性和低 的氧化速率。此外。NiO 具有优秀的高温塑性，并与基体镍有近似的热胀系数， 这使锈皮在应力和温度交变效果下能可靠地附着在基体外表而不掉落。可是 NiO 外表可许多吸附氧，镍中溶解氧的才能也比 Fe，Co 强，因而镍基合金易产生内 氧化。 镍的高温抗氧化性优于 Fe 和 Co， 而略低于铬。 镍的抗氧化温度可达 1100℃， 而且有杰出的抗高温碳蚀、氮蚀、卤素气体腐蚀，可是在含硫的气体中其腐蚀抗 力较差