航空航天飛行器常用的變形高溫合金主要有GH3030、GH3044、GH3128、GH3170(GH170)、GH3181、GH4199(GH99)、GH4202、GH586等,這些合金雖然具有良好的綜合性能,但是在1100℃時強度都不超過90MPa,限制了其部分應用。1984年,美國Haynes國際工業公司開發了一種可在1100℃ 使用的固溶強化型鎳基變形高溫合金Haynes230。它是一種綜合性能優良的Ni-Cr-W系高溫合金,名義成分為Ni-22Cr-14W-0.5Mn-0.4Si-0.02La,合金中加入了大量的W、Cr等難熔合金化元素以提高基體的強度,同時添加少量的C以形成碳化物來阻礙晶粒長大和強化晶界。該合金在1100℃的高溫強度可達135MPa、延伸率可達85%,但目前國內獲得的商業級Haynes230合金在1100℃的高溫強度僅為90MPa左右,與國內合金水平相當。
2005年以來,研究人員以1100℃用高溫合金為目標,避開γ′相沉淀強化型鎳基高溫合金的變形抗力大、熱加工性能差及在高溫(﹥0.6T熔)下γ′相的溶解失效問題,結合成分設計理論、合金元素作用原理、成分計算及試驗分析工作,設計開發了一種固溶強化型鎳基合金Ni-20Cr-18W-Mo(以下簡稱試驗合金)??蒲腥藛T以該合金為研究對象,對其綜合性能進行了實樣檢測,通過檢測結果系統地分析合金性能特點,為合金應用奠定基礎。
采用真空感應熔煉+真空白耗電極電弧熔煉雙聯工藝制備試驗合金母合金,得到50kg的Φ100mm鑄錠,表面見光后從鑄錠頂部半徑的1/2處取樣進行ICP化學成分分析,得到試驗合金主要成分為Cr2O.34%、w18.O3%、Mo1.21%、A10.43%、C0.08%、Ni余量。為了減少合金的偏析程度,對鑄錠進行1200℃×24h均勻化處理。處理后鑄錠加熱到1250℃開坯鍛造成25mm厚鍛件,合金鍛造變形量6O%;鍛件截取一半熱軋成5mm厚板材;剩余鍛件及板材在1270℃真空固溶處理保溫2h后水淬,線切割試樣。試驗結果如下:
(1)Ni-20Cr-18W-Mo合金在高溫條件下的熱物特性(如熱膨脹系數)優于Haynes230等合金。
(2)Ni-20Cr-18W-Mo合金具有較優異的高溫強度及塑性,1100℃時抗拉強度/延伸率可達到131MPa/66.2%,優于商業級Haynes230合金的強度,與Haynes230公布的最高強度基本相當。
(3)Ni-20Cr-18W-Mo合金在1100℃的氧化速率為0.064g/(m2·h),為完全抗氧化級。
(4)Ni-20Cr-18W-Mo合金在1100℃、3OMPa條件下初始蠕變階段和加速蠕變階段持續時間較長,而穩態蠕變階段持續時間較短,說明合金高溫變形的加工硬化時間和回復軟化時間較長。
(5)試驗合金的性能與現有合金相比具有一定優勢,但必須注意到目前該合金的相關檢測數據都是在鑄錠質量及尺寸相對較小的情況下測得的,對于更
2016-10-13高溫合金的類別 760℃高溫材料變形高溫合金
變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工,工作溫度范圍-253~1320℃,具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標,具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。GH后第一位數字表示分類號即1、固溶強化型鐵基合金 2、時效硬化型鐵基合金 3、固溶強化型鎳基合金 4、鈷基合金 GH后,二,三,四位數字表示順序號。
1、固溶強化型合金
使用溫度范圍為900~1300℃,最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金,室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa;1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。
2、時效強化型合金
使用溫度為-253~950℃,一般用于制作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253~700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如:GH4169合金,在650℃的最高屈服強度達1000MPa;制作葉片的合金溫度可達950℃,例如:GH220合金,950℃的拉伸強度為490MPa,940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是:
1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能,合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對于鎳基高溫合金,可通過調整成分使γ’含量達60%或更高,從而在高達合金熔點85%的溫度下,合金仍能保持優良性能。
2.具有更廣闊的應用領域由于鑄造方法具有的特殊優點,可根據零件的使用需要,設計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據鑄造合金的使用溫度,可以分為以下三類:
第一類:在-253~650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能,特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金,其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%;650℃,620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用復雜結構件等。
第二類:在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性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金,950℃時,拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%;950℃,200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。
第三類:在950~1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金,1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料,適用于制作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。