高温合金简述

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[4] Choudhury I.A. and El-Baradie. M.A. Machinability assessment of inconel 718 by factorial design of experiment coupled with response surface methodology. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 95: 30-39.
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Kakehi [6] 发现镍基单晶高温合金在蠕变过程中表现出拉 压不对称性，但不同于屈服强度的不对称性，其不对称性被 归结为是否产生孪晶。[001]和[011]取向均可产生孪晶，因而 持久性能具有拉压不对称性，而[111]方向的持久过程只与位 错的运动有关，所以无此特征。单晶高温合金具有各向异性， 即蠕变性能与晶体取向密切相关。
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有重要的地位。与铁基和 钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性， 被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件材料。在目前的先 进发动机上，镍基高温合金的使用量已占发动机总重量的一半以上[3]。
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镍基高温合金的可加工性取决于决定合金耐热强度的化 学元素。组成镍基合金基体成分之一的镍，并不影响可加工 性。 镍基高温合金中的硼和铈起强化晶界的作用，带来了加 工性的变坏。钛和铝会和镍元素形成金属 γ' 相－ Ni3 （ Al 、 Ti），钛和铝的含量增加导致γ'强化相的增加，合金中金属间 γ' 相的增加提高了合金塑性变形时的抗剪切强度及金属加工 过程中的切削温度。此外，合金中 γ' 相的增加也增加了粘附 抗剪切强度和合金的抗磨蚀作用 [4]，从而降低了镍基高温合 金的切削性能。
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单晶高温合金的成分特点：
C, B, Hf从“完全去除 ”转为“限量使用” 。 微量(~0.1%)的Hf可以提高涂层寿命和抗氧化/腐蚀性能。 C元素具有净化合金溶液，对抗腐蚀性能也有好处。 Ta增加γ/γ'错配度、强化γ'相和提高其高温稳定性。Ta 元素的加入使的合金的坏境性能、涂层性能、铸造性 能和组织稳定性都得到改善[5] Re在基体中形成Re原子团，阻碍位错运动，降低合金 元素扩散速率，阻止γ'相粗化，并提高γ/γ'错配度。
Fig. 2.1 Development of Ni-base superalloys
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镍基高温合金的基本组织类型有：奥氏体基体（高度合金化固溶体）；
弥散分布于基体中的碳化物或金属间化合物相，如γ′相[Ni3（Al,Ti）]和γ"
相（NiNb，NiTa）；或高熔点稳定化合物质点（由粉末冶金或机械合金 化方法制得）[2]。图2.2为GH4169的金相显微组织结构图。
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4. 镍基高温合金的应用
镍基高温合金可以用来制造航空喷气发动机、船舶、工业 和车辆用燃气轮机的热端部件，如工作叶片、涡轮盘和燃烧 室等。
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参考文献

[1] Reed R C.The Superalloys Fundamentals and Applications. London: Cambridge University Press,2006. [2] Liu G., He N., Li L.and Man Z. L. Cutting forces during the high speed machining of Inconel 718. Key Engineering Materials, 2004, 259-260: 824-828. [3] Trea M. Pollock, Sammy Tin. Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry,Microstructure, and Properties. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(2): 361~374.
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3. 单晶高温合金
普通铸造多晶高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温变 形的薄弱环节，裂纹极易在此萌生并成为裂纹扩展的通道。 如果晶界与应力主轴方向平行，高温下作用在晶界上的应力 将会最小，从而抑制裂纹形核增加蠕变持久寿命。在这种思 路下，逐渐研究出具有优异的中、高温蠕变持久强度和塑性， 而且具有优异热疲劳性能的单晶高温合金。 单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同 作用的结果。
缺点：组织不够稳定；抗氧化性差；工作温度较低
镍基高 温合金
优点：可溶解较多的元素，具有良好的组织稳定性、高温强 度和抗腐蚀性，工作温度较高。 缺点：疲劳性能稍差，塑性较低
优点：较高温度下仍具有高强度和抗热疲劳性能
钴基高 温合金
缺点：中低温工作性能不如前两种高温合金
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2. 镍基高温合金

图2.1为20世纪40年代后的镍基高温合金及其工艺的发展过程[1]。
难熔元素(Ta, Re, W, Mo)的加入总量增加
Cr含量降低
Cr元素对合金的抗热腐蚀性能具有非常重要的影响；Cr含量 降低，就允许加入更多其它的有助于提高合金性能的元素， 而且仍能保持组织的稳定，对合金性能的提高极为有利。
Co 的作用
固溶强化和增加γ'相数量，同时改善合金的塑形以及热加工性 能，并对合金组织稳定性有一定的提高。Co 在γ相中有较大的 固溶度，能够降低基体的层错能，使得合金的持久强度和抗蠕 变能力显著提高。
[5] Jian Zhang. Effect of Ti and Ta on hot cracking susceptibility of directionally solidified Ni-based superalloy IN792. Scripta Materialia, 2003, 48(6): 677~681. [6] D. Leidermark, J.J. Moverare, S. Johansson, K. Simonsson, S. Sj ö str ö m. Tension/compression asymmetry of a single-crystal superalloy in virgin and degraded condition. Acta Materialia, 2010,58(15): 4986~4997.
Fig.2.2 Microstructure of super alloy GH4169
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镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构，其晶体结构从室温 至熔点的温度区间内始终保持面心立方结构不变，同时，许多合金元素 都可以固溶到镍基材料中进行充分的合金化，因此镍具有作为高温合金 基体元素的优越属性，同时镍基高温合金中可以析出 L12结构γ′相，这是 镍基高温合金中最有效的强化方式，使得镍基高温合金具有优良的综合 性能。
镍基高温合金
1. 高温合金简介


高温合金是指能在 600 ℃ -1200 ℃高温下仍能保持设计要 求正常工作的金属材料，它在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、 抗蠕变和良好的疲劳特性。 高温合金特点： 耐高温 具有较高的强度 具有良好的疲劳性质 具有较高的断裂韧度 具有良好的组织稳定性 具有较强的抗氧化抗热腐蚀性能 具有可靠的使用性能
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高温合金分类：
变形高温合金 按制造工艺 铸造高温合金 粉末冶金 铁基高温合金 按合金主要元素 镍基高温合金 钴基高温合金 固溶强化 按强化方式 时效强化 氧化物弥散强化 晶界强化




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铁基高 温合金
优点：成本低，可用于一些使用温度较低的航空航天发动机和 工业燃气机的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件和紧固件。