Ni—Cr—Al高温合金材料的研究现状及发展
镍基高温合金材料的研究进展
镍基高温合金材料的研究进展一、本文概述镍基高温合金材料作为一种重要的金属材料，以其出色的高温性能、良好的抗氧化性和优异的力学性能，在航空航天、能源、化工等领域具有广泛的应用。
随着科技的快速发展，对镍基高温合金材料的性能要求日益提高，其研究进展也备受关注。
本文旨在全面综述镍基高温合金材料的最新研究进展，包括其成分设计、制备工艺、组织结构、性能优化以及应用领域等方面，以期为未来镍基高温合金材料的进一步发展提供理论支持和指导。
本文首先介绍了镍基高温合金材料的基本概念和特性，概述了其在不同领域的应用现状。
随后，重点分析了镍基高温合金材料的成分设计原理，包括合金元素的选取与配比，以及如何通过成分调控优化材料的性能。
在制备工艺方面，本文介绍了近年来出现的新型制备技术，如粉末冶金、定向凝固、热等静压等，并探讨了这些技术对材料性能的影响。
本文还深入探讨了镍基高温合金材料的组织结构特点，包括相组成、晶粒大小、位错结构等，并分析了这些结构因素对材料性能的影响机制。
在性能优化方面，本文总结了通过热处理、表面处理、复合强化等手段提高镍基高温合金材料性能的研究进展。
本文展望了镍基高温合金材料在未来的发展趋势和应用前景，特别是在新一代航空航天发动机、核能发电、高温传感器等领域的应用潜力。
通过本文的综述，旨在为相关领域的研究人员和企业提供有益的参考和借鉴，推动镍基高温合金材料的进一步发展和应用。
二、镍基高温合金的基础知识镍基高温合金，也称为镍基超合金，是一种在高温环境下具有优异性能的特殊金属材料。
它们主要由镍元素组成，并添加了各种合金元素，如铬、铝、钛、钽、钨、钼等，以优化其热稳定性、强度、抗氧化性、抗蠕变性和耐腐蚀性。
镍基高温合金的这些特性使其在航空航天、能源、石油化工等领域具有广泛的应用。
镍基高温合金之所以能够在高温环境下保持优异的性能，主要得益于其微观结构的特殊性质。
这些合金在固溶处理和时效处理后，会形成一系列复杂的金属间化合物，如γ'、γ''和γ'″等，这些化合物在基体中弥散分布，起到了强化基体的作用。
镍基高温合金的研究和应用
镍基高温合金的研究和应用王睿【摘要】镍基高温合金是通常以镍铬为合金基体,并根据具体需求加入不同的合金元素,从而形成的单一奥氏体基体组织.由于镍元素在化学稳定性、合金化能力和想稳定性上的优势,镍基高温合金相对于铁基和钴基高温合金具有更优异的高温强度、抗疲劳性能、抗热腐蚀性、组织稳定性等性能.经过几十年发展和完善,我国高温合金领域在合金设计方法、合金种类、冶炼和热处理工艺、工业化管理等方面均取得了较大的进展,而凭借其独特的优势,镍基高温合金已经成为当代航空航天和燃气轮机工业中地位最重要的高温结构材料.本文主要从常见镍基高温合金分类、冶炼工艺和处理方式、强化机理以及合金化等方面,简要介绍了镍基高温合金的主要研究进展和实际应用.%Nickel-base high-temperature alloys are usually made of nickel-chromium alloy and different alloy elements are added according to specific requirements, thus forming a single austenitic matrix. Because of the advantages of chemical stability, alloying ability and relative stability of nickel element, Nickel-base high-temperature alloys has more excellent high temperature strength, fatigue resistance, thermal properties, such as corrosion resistance, stability of the organization. After decades of development and improvement, the high temperature alloys in China have made great progress in the aspects of alloy design methods, alloy types, smelting and heat treatment processes, industrialization management, etc. With their unique advantages, Ni-based superalloys have become themost important high temperature structural materials in the aerospace and gas turbine industries. In this paper, the main research progress andpractical application of nickel-based superalloy are briefly introduced from the aspects of classification, smelting process and treatment, strengthening mechanism and alloying of common Ni-based superalloys.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】2页(P50-51)【关键词】镍基高温合金;航空航天【作者】王睿【作者单位】江苏省常州市武进区前黄高级中学国际分校江苏 213000【正文语种】中文【中图分类】T高温合金特指以镍、钴、铁或三者与铬的合金为基体,能够承受苛刻的机械应力和600℃以上高温环境的一类高温结构材料.它一般具有较高的室温和高温强度、良好的抗蠕变性能和疲劳性能、优良的抗氧化性和抗热腐蚀性能、优异的组织稳定性和使用可靠性.上个世纪50年代初,我国通过仿照前苏联,自主研制并生产了出第一款高温合金GH3030,从而拉开了我国对于高温合金研究和应用的序幕.20世纪60年代初,我国投入大量人力和物力研究高温合金等军工领域用材料,许多高温合金的研究和生产中心在此时得以建立,并且引进了大量的科研和检测设备.这一阶段,考虑到我国本身存在quot;缺钴少镍quot;的情况,因此我国在高温合金领域特别是铁基高温合金上取得了前所未有的突破,研究和生产均出具规模,生产了诸如GH4037、K417等多个牌号的高温合金.但是由于基体本身化学和物理性质的原因,铁基高温合金在多方面均远逊色与同成分的镍基高温合金,因此在改革开放后,镍基高温合金逐渐成为我国高温合金研究和生产的主体,通过全面紧扣镍原矿,引进欧美技术,我国在粉末镍基高温合金,单晶镍基高温合金和定向凝固柱晶高温合金等尖端领域均取得了重大突破,先后推出了FGH 系列粉末涡轮盘材料,第一、二代单晶镍基高温合金DD402、DD26等.本文主要从镍基高温合金常见分类、冶炼和制备工艺、强化机理和合金化、实际应用等几个方面来简要介绍了镍基高温合金的研究发展.镍基高温合金具有许多种类,通常按照成型工艺的不同,将其分为铸造高温合金和变形高温合金.铸造高温合金由铸造工艺制备,通常分为等轴晶、定向柱晶和单晶三种.而变形高温合金普遍由粉末工艺制备,分为粉末高温合金和弥散强化型高温合金,通常具有良好的冷热加工性能和力学性能.(1)粉末高温合金利用粉末冶金工艺制造而成的高温合金称为粉末高温合金.传统铸造-锻造工艺制成的高合金化高温合金,存在宏观偏析严重、难于成型、疲劳性低等缺点,因此在工艺生产中并未大规模使用.随着粉末工艺的推广,通过在真空或惰性气体气氛下,以制粉工艺将高合金化难变形高温合金制成细小粉末,再通过不同的成形法制成目标合金.由于晶粒细小、成分均匀、微观偏析轻微,故相对于传统铸造合金,粉末高温合金往往在热加工性能,屈服强度和疲劳强度等力学性能上均得到较大提升.目前我国常用的粉末高温合金主要有FGH系列等,其中80年代研制的FGH95是目前强度最高的粉末高温合金.(2)定向柱晶高温合金通过定向凝固技术,使得合金内的横向晶界被消除,制备出只保留了平行于主应力轴的单一晶界的合金称为定向柱晶高温合金.定向凝固柱晶工艺通过螺旋选晶器或籽晶法,只允许一个柱状晶生长,可制成消除一切晶界的单晶涡轮叶片或导向叶片.定向柱晶高温合金具有优异的高温强度和屈服强度,并且相较于单晶高温合金,工艺更为简单、制作成本和检验成本也更低,因此定向柱晶高温合金被广泛应用于涡轮叶片的制造.(3)单晶高温合金采用定向凝固工艺消除所有晶界的高温合金称为单晶高温合金.单晶高温合金同样采用定向凝固技术,但是在型壳设计上增加了单晶选择通道.由于合金内一切晶界被消除,合金化程度很高,其高温强度、疲劳性能等力学性能相对于等轴晶和定向柱晶高温合金有了大幅度的提高,因此在尖端航空领域,单晶高温合金得到广泛应用,比如美国F35战斗机涡轮叶片所采用的的即使第三代镍基单晶高温合金CMSX-10.但是单晶高温合计由于制造成本相对较高、工艺复杂,因此使用受到局限.不同种类的镍基高温合金采用的制备方式截然不同,定向柱晶高温合金和单晶高温合金均采用定向凝固技术,粉末高温合金采用粉末冶金工艺方法生产,而传统的铸造高温合金采用铸-锻工艺生产.粉末高温合金和单晶高温合金是时下应用最前沿的两类镍基高温合金,因此对于其制备方法的研究是具有直接代表意义的.(1)定向凝固技术制备单晶高温合金和定向柱晶高温合金通常采用定向凝固技术,二者差别在于单晶高温合金往往会增设单晶选择通道.现在常用的定向凝固技术有,高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、发热剂法(EP)和功率降低法(PD)等,这其中高速凝固法和液态金属凝固冷却法是目前应用最广的制造工艺.高速凝固法(HRS)通过在加热区底部增设了隔热挡板,并且在水冷底盘添加水冷套,使浇注后型壳与加热器之间发生了相对移动,增大了挡板附近的温度梯度,从而实现细化组织,消除晶界各异性的目的.液态金属冷却法(LMC)则是通过加入一个冷却剂槽,通常以锡为冷却剂.当合金熔体浇注成型后,将其从加热器中移出并逐渐匀速浸入到液态锡冷却剂中,这样在合金凝固表面和内部形成了较大的温度梯度,促使晶粒以单一方向生长.通过控制诸如冷却剂温度、浸入速率等参数可以调整合金的晶粒尺寸.(2)粉末冶金工艺粉末冶金工艺通常分为粉末制备和粉末固结两个阶段.目前在实际生产中的粉末制备工艺主要采用气体雾化法和旋转电极法.气体雾化法又被称为AA法,首先将真空熔炼过的母合金加入到雾化设备中,在真空环境下进行重熔,熔解的合金经由漏嘴流出后,在高压气体流的冲击下被雾化成粉末,其中氩气是最常用的气体.旋转电极法则是将合金料在高速旋转,利用固定的钨电极产生等离子弧来连续熔化合金料,这样在离心力的作用下,形成的液滴飞出形成了细小的粉末.粉末制备成功后,需要进行固结以便成形.由于传统的高温合金粉末中往往含有难烧结且易氧化元素,因此在传统的直接烧结工艺下成形相当困难,必须引入高温高压气氛.目前常见的粉末固结方式有真空热压成形、热等静压成形、热挤压和锻造、电火花烧结等成型方法,其中热等静压和热挤压是国内常用的两个工艺.镍基高温合金的强化效应通常组织强化和工艺强化两种.第一种是因为高温合金中的合金元素和基体元素相互作用,引起组织的变化而产生的强化效应.工艺强化是通过改良生产工艺、处理方式、锻造工艺等来实现对高温合金性能的提升.众多强化方式中,合金化对于高温合金性能的改变尤为重要.镍可以通过固溶、形成第二相等方式与加入的合金元素相互作用,其中常见的合金元素有Cr,W,Mo,Re,Al,Ti,Ta,C,B,Zr和稀土元素等十余种合金元素,这些元素在合金中起着不同的作用.Cr是镍基高温合金中含量相对较高的一个元素,它以固溶态存在于基体中,从而改善镍基高温合金的抗氧化性和抗热腐蚀性.W和Mo通过提高扩散激活能,降低合金中的扩散,从而增强原子间结合力,提高合金的硬度和高温强度.Al 是最主要的γ'相形成元素,且在高温下能形成保护性的氧化膜,提高合金的抗氧化性能,因此Al也常被用于表面化处理.其他如C,B,Zr和稀土元素等微量元素,在镍基高温合金中的含量均在1%以下,但是也起着很强的作用.经过几十年的研究和发展,镍基高温合金虽已经在多个方面均取得较大的突破,但为了满足航空、航天领域对于高性能高温合金材料不断增加的需求,也为了应对相关领域的国际竞争,增加我国的制空竞争力,在以后得研究中仍得从以下几个方面加强:(1)建立和完善更有效的合金设计方法,通过调整合金元素的比例,改善制造工艺来得到强度更高,质量更轻,成本更低的镍基高温合金;(2)应该对尖端高温合金诸如第三代单晶高温合金、第五代粉末高温合金的研制,改善制备工艺,使得这类合金的性能和质量更加稳记录并完善合金的性能和数据;(3)要扩大应用范围,扩展对于民用燃气轮机中高温合金的研制和开发.总之,镍基高温合金是航空航天领域发展的核心关键,高温材料的强度决定了飞机发动机的推重比和性能,因此研究镍基高温合金是认识材料领域,了解我国乃至世界航空航天领域发展,探索我国国防事业的一块敲门砖.王睿,男,江苏省常州市武进区前黄高级中学国际分校;研究方向:材料类.【相关文献】[1]郭建亭.高温材料学[J].北京:科学出版社,2010.06.[2]张义文.粉末高温合金研究进展[J].中国材料进展,2013年第1期.[3]孙晓峰.镍基单晶高温合金研究进展[J].中国材料进展,2012年第12期.[4]王斌,Al对高温合金高温抗氧化性能的影响[J].材料热处理技术,2012年5月.。
高温合金材料发展现状与趋势
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性能的材料。
这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。
随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。
本文旨在对高温合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。
一、高温合金材料的分类高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基高温合金。
其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。
镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应用于各种高温领域。
二、高温合金材料的发展现状高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。
在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。
20世纪50年代中期，美国医生·布拉斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。
70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。
随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。
三、高温合金材料的未来趋势1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。
单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。
2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。
复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。
纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。
3. 新型高温合金材料将不断发展新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。
涂覆Ni-Cr-Al-Y涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为
＋沈阳界面材料研究中心海外学者计划项目资助ＣＩＭ０９ＳＪＺＨＵ
收到初稿日期：２００叫１３—１１，收到修改稿日期：２００９—０４—１０
作者简介：陈竹兵，男，１９８３年生，博士生
万方数据
第７期
陈竹兵等：涂覆Ｎｉ—Ｃ卜Ａｌ－Ｙ涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为８２１
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ（ＴＭＦ）ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ａ Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ Ｍ９６３ ｃｏａｔｅｄ ｗｉｔｈ
１实验方法
Ｍ９６３合金的化学成分（质量分数，％）为：Ｃ ０．１５， Ｃｒ ８．８９，Ａｌ ６．００，Ｔｉ ２．５５，Ｍｏ １．６４，Ｗ １０．１，Ｃｏ １０．０， Ｎｂ １．１０，Ｚｒ ０．０３，Ｂ ０．０３，Ｃｅ ０．０２，Ｙ ０．０１，Ｎｉ余量．实 验母合金采用真空感应炉重熔并浇铸成棒状试样，随后对 其进行１２１０＂Ｃ／４ ｈ＋ＡＣ（空冷）的固溶处理．处理后的棒 材加工成标距直径为６ ｍｍ，标距长度为２５ ｎｌｎｌ的试样， 并对试样进行机械抛光以消除机加工带来的表面缺陷．喷 涂前，对试样进行喷砂处理．在试样的平行标距处以及过 渡圆弧区域分别采用ＡＰＳ和ＨＶＯＦ工艺获得厚度约为 １３０ ｐｍ的Ｎｉ．２５Ｃ卜５Ａｌ－＿０．５Ｙ涂层．喷涂设备和工艺参
Ni-Cr-Al-Fe基铸态合金的高温氧化行为
Ni-Cr-Al-Fe基铸态合金的高温氧化行为韩朝;刘咏;王岩;李维杰;汤慧萍【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2011(016)006【摘要】采用熔铸法制备不同Al含量的Ni-Cr-Al-Fe基合金,研究Al含量和预氧化处理对合金在600℃大气中抗氧化性能的影响,并利用FE-SEM(EDS)、XRD对不同状态合金氧化膜的形貌及成分进行对比分析.结果表明:Ni-Cr-Al-Fe基合金在600℃时的氧化动力学曲线较好地遵循抛物线规律,铝含量的增加以及预氧化处理均可提高合金的高温抗氧化性能；Ni-Cr-Al-Fe基合金在1000℃预氧化以及600℃氧化时所形成的氧化膜成分与Al含量有关,Al含量越高越有利于单-Al2O3氧化膜的形成,对提高合金的抗氧化性能有益；随着氧化时间的延长,表面局部区域可进一步形成尖晶石类氧化物或复杂氧化物；预氧化处理所形成的氧化膜,可有效地防止Ni-Cr-Al-Fe基合金基体的氧化；同时,利用WAGNER的临界理论计算了600℃下的Ni-Cr-Al稳定氧化物图.【总页数】9页(P806-814)【作者】韩朝;刘咏;王岩;李维杰;汤慧萍【作者单位】中南大学粉末冶金研究院粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;中南大学粉末冶金研究院粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;中南大学粉末冶金研究院粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;中南大学粉末冶金研究院粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;西北有色金属研究所多孔材料国家重点实验室,西安710016【正文语种】中文【相关文献】1.Nb元素对粉末冶金TiAl基合金高温氧化行为的影响 [J], 欧阳思慧;刘彬;李建波;徐礼友;刘咏2.含锆Ti2AlNb基合金在800°C的高温氧化行为 [J], 党薇;李金山;张铁邦;寇宏超3.基变形高温合金在高温环境下的氧化行为 [J], Changheui JANG;Daejong KIM;Donghoon KIM;Injin SAH;Woo-Seog RYU;Young-sung YOO4.Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末的高温抗氧化行为 [J], 李维杰;刘咏;王岩;韩朝;汤慧萍5.锆合金表面CrAl基耐高温涂层及氧化行为研究 [J], 吴亚文;贺秀杰;张继龙;马显锋;施惠基因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
2023年高温合金行业市场分析报告
2023年高温合金行业市场分析报告高温合金是指在高温环境下能够保持良好力学性能、耐蚀性和耐热性的金属材料。
随着航空、航天、火箭、核工业等高科技领域的不断发展，对高温合金的需求不断增长，市场前景广阔。
本文将对高温合金行业市场进行分析。
一、市场规模及发展趋势高温合金行业市场规模不断扩大。
据统计，在全球高温合金市场中，美国、欧洲和日本等传统产业国家持续占据主导地位。
截至2019年，全球高温合金市场规模已达到153.6亿美元，且随着高温合金市场应用范围拓宽，市场规模将进一步扩大。
未来高温合金表现趋势看起来积极。
预期全球油气行业较快增长，因为石油和天然气的非常规含量增加，将推进高温合金的应用领域。
随着航空航天、核能、化工等蓬勃发展，这些领域对高温合金的需求将会进一步提高，市场潜力巨大。
二、市场分析1. 地理分布高温合金的生产基地主要集中在欧洲、美国、日本等发达国家，其中，美国占据高温合金的40%市场份额，成为全球最大的高温合金生产国。
此外，中国、印度、俄罗斯等一些新兴市场国家也在逐渐崛起，中国已成为全球高温合金供应大国，将成为未来主导市场。
2. 应用领域高温合金的应用领域较为广泛，主要应用于航空航天、火箭、核工业、能源、化工、汽车等高科技领域。
其中，航空航天、火箭及其它高科技装备的生产领域是高温合金的重点应用领域，以美国的高温合金应用领域为例，航空航天行业应用高温合金的比例高达85%，而其它领域只占15%。
3. 供需形势目前，高温合金供需形势总体平衡，市场供应相对稳定，随着高温合金的应用越来越广泛，对高温合金质量和性能的要求越来越高，这对高温合金生产商提出了更高的要求。
同时，受成本和环保等因素的影响，高温合金的价格也在逐步上涨。
4. 竞争格局高温合金行业竞争格局呈现出产业集中度较高的特点，少数大型企业占据了市场主导地位，例如美国墨菲特纳公司、爱科森工业、日本材料产业、中国航发控制等。
同时，新兴市场的快速崛起以及国内外外资企业加速布局，也增加了高温合金行业的竞争情况。
中国高温合金材料行业市场现状及未来发展趋势分析报告
中国高温合金材料行业市场现状及未来发展趋势分析报告一、市场现状：1.市场规模：中国高温合金材料行业市场规模庞大，2024年市场规模超过1000亿元人民币。
2.市场需求：高温合金材料在航空航天领域应用广泛，航空发动机是最重要的应用领域。
同时，能源行业中的石油、天然气开采以及炼油、化工等领域也对高温合金材料有较高需求。
3.市场竞争：目前，国内高温合金材料市场竞争激烈，主要由一些知名企业主导，如比亚迪材料、上海冶钢、中国铁道科学研究院等。
4.技术水平：国内高温合金材料技术水平逐渐提升，但与发达国家相比，还存在一定差距。
需要进一步加强技术研发和创新能力，提升自主知识产权的比重。
5.出口情况：中国的高温合金材料出口量大幅增加，已经成为全球重要的出口国之一二、未来发展趋势：1.技术创新：高温合金材料行业需要加强技术创新，提高产品质量和性能。
加大研发投入，加强与高校、科研机构的合作，引进国外先进技术，提升企业的核心竞争力。
2.产业链延伸：高温合金材料产业链需要进一步延伸，提高附加值。
发展高端制造、智能制造等相关领域，实现产业链的全面发展。
3.环保与可持续发展：随着环境污染问题的不断加剧，高温合金材料行业需要加强环保意识，推动绿色制造。
研发环保型高温合金材料，提高资源利用率，实现可持续发展。
4.人才培养：加强高温合金材料行业的人才培养工作，增强人员的技术能力和创新意识。
提供良好的职业发展机会，吸引优秀人才进入该行业。
5.国际合作：加强国际合作，提高国内高温合金材料的国际竞争力。
通过技术合作、市场合作等方式，引进国外技术和市场资源，推动中国高温合金材料行业的发展。
总结：中国高温合金材料行业市场规模庞大，在航空航天、能源、化工等领域有着广阔的应用前景。
未来，需要加强技术创新，延伸产业链，推动绿色制造，加强人才培养，加强国际合作，以实现行业的可持续发展。
镍基高温合金的研究现状与发展前景
镍基高温合金的研究现状与发展前景唐中杰;郭铁明;付迎;惠枝;韩昌松【期刊名称】《金属世界》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P36-40)【作者】唐中杰;郭铁明;付迎;惠枝;韩昌松【作者单位】兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文内容导读航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等关键的高温部件都会使用镍基高温合金。
它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。
文章综述了镍基高温合金的研究进展，主要介绍了合金体系、强化方式、主要制备工艺、应用领域，以及合金中的夹杂物及净化的情况，并介绍了镍基高温合金的发展趋势做了展望前景。
镍基高温合金应向低制作成本、高强度、抗热腐蚀性、小密度的方向发展：保持组织稳定性，提高材料高温强度；发展耐热腐蚀性能优越的单晶合金；开发密度尽量小的单晶高温合金；降低成本，减少昂贵的金属元素添加量。
镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。
主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。
但是制备镍基合金的过程中会混入夹杂物，严重影响材料的疲劳性能，使结构材料部件的寿命得不到保证，限制了合金的更广泛应用。
本文介绍了国内外关于镍基高温合金的研究进展情况，以及合金体系、强化方式、制备方法以及应用领域，同时对合金中的夹杂物及净化的进展情况也做了介绍。
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Ni—Cr—Al高温合金材料的研究现状及发展【摘要】随着航天、航空、电力、冶金、能源、石化工业的迅速发展，对高温抗氧化合金材料的服役性要求越来越高，高温抗氧化合金材料已经成为影响工业发展的决定因素，这就给高温抗氧化合金的研制和开发提出新的机遇和挑战。
Ni-Cr-Al合金以其抗高温、抗氧化性能被广泛的应用于燃气轮机叶片等高温部件，在国防和工业生产中，扮演着重要角色。
【关键词】Ni-Cr-Al高温合金;性能;研究现状;发展1.引言镍是一种耐腐蚀性优良、韧性较好的金属材料，具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐腐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。
Ni-Cr-Al合金的成分主要是镍铝，铬的含量较少，是重要的高温合金材料，在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天等部门中都有广泛的应用，物理与化学的性能不言而喻，耐高温、抗蠕变、抗腐蚀性能好，凭借这些优良性能，使镍铬铝合金成为未来高温合金材料中最有前景和价值的合金材料之一，因此，研究镍铬铝合金对现实工业生产具有重要的意义。
2.概述Ni-Cr-Al高温合金依靠其耐高温抗氧化性能，成为重要高温材料之一，在国防和工业生产中，扮演着重要的角色，以其优良的性能被广泛应用于航空航天，电力，冶金等高温部件。
Ni-Cr-Al高温合金这样良好的性能主要依靠Al和Cr来形成一层Al2O3和Cr2O3保护性氧化膜，氧化膜生长缓慢，粘附性较好，对基体起到良好的保护作用。
3.Ni-Cr-Al合金的发展历程3.1 Ni-Cr合金：Ni-Cr合金可作为耐热、抗高温氧化和耐腐蚀的涂层。
典型的镍铬合金为镍含量80%、铬含量为20%，但也有镍为60%，铬为16%和其余为铁的。
其中80Ni20Cr合金是热喷涂常用的材料，该合金具有较好的耐高温氧化性能，耐酸和碱腐蚀，是制备耐热、耐蚀涂层的典型材料。
由于涂层致密、与基体材料的粘结性好，通常作为耐热陶瓷涂层的粘结底层，既能增加涂层的结合强度，同时又能防止高温氧化和腐蚀性气体对金属的侵蚀，但该合金不耐硫化氢、亚硫酸气体、盐类及高温潮湿下还原性气体的腐蚀，在硝酸、盐酸溶液中也容易受到侵蚀。
可广泛应用于锅炉水冷管壁（包括重油余热锅炉中的水冷管壁及燃煤锅炉水冷管壁）和换热器管壁，以减缓锅炉管壁的腐蚀与冲蚀。
如美国TAFA公司为喷涂锅炉水冷壁保护涂层而设计的牌号为45CT的镍铬合金丝，保护锅炉管道，延长其使用寿命。
3.2 Ni-Al合金：用于电弧喷涂的Ni-Al合金丝，镍、铝的质量比为Ni：Al=95：5，成分近似于镍包铝自粘结复合粉末。
许多方面Ni-Al合金丝可以代替Ni-Al 复合丝，而它的冶金结合性能优于Ni-Al复合丝。
Ni-Al合金丝用作电弧喷涂时，电弧使熔滴强烈过热，镍和铝的氧化反应（而不是铝化镍的形成）放出大量的热量，使熔滴地撞击到工件表面的瞬间与基体表面发生冶金结合，形成一些微“焊合”点，导致涂层与工件之间的牢固结合。
Ni-Al合金涂层除具有良好的抗高温氧化性能外，还具有良好的腐蚀性能。
3.3 Ni-Cr-Al-Y合金：为四元系高温热腐蚀涂层，航空、舰船、发电用的在高温合金制作的高温部件，在其表面施加这种四元系涂层，厚度在45-200?m，可以提高机体材料的抗热腐蚀能力，耐热寿命可延长达几千小时，以致近几万小时[1]。
4. Ni-Cr-Al抗高温氧化合金性能的研究现状随着航天、航空、电力、冶金、能源、石工工业的迅速发展，对高温抗氧化合金材料的服役性要求越来越高，高温抗氧化合金材料已经成为影响工业发展的决定性因素，这就给高温抗氧合金的研制和开发提出了新的挑战机遇，目前提高合金抗高温氧化的手段如下：4.1 通过向合金内添加亲氧元素，使合金表面发生择优氧化，进而形成一层连续、致密、粘附性较好的氧化薄膜更好的保护基体，产生择优氧化的条件[2]：4.1.1 添加在合金中的元素对氧的亲和力要大于基体金属的。
4.1.2 在基体中掺杂的合金元素的离子半径要小于基体的，这样容易向表面扩散。
4.1.3 在更容易发生扩散行为的情况下加热。
其中添加元素Cr、Al、Si在提高合金抗氧化性起到重要作用。
4.2 通过处理表面来加强合金的抗氧化能力4.2.1 扩散掺层法4.2.2 通过注入稀土元素改层法4.3 通过防护涂层法来进一步加强防护能力4.3.1 合金涂层高温合金抗氧化涂层有以下分类[3]4.3.1.1 铝-铬、铝-铅、铝-硅等铝化物涂层是通过用化学气相沉积的方法经改进所获得，这些涂层有制作简单、自身性质稳定、而且造价较低等较好的优点，其缺点是组成的成分的控制很不容易。
4.3.1.2 M-CrAl-Re，其中M包括的范畴为铁、钴、镍等磁性材料，Re包括的范畴为稀土元素钇、铈、铪等活性元素）此类涂层属于包覆涂层，这种涂层在低温低压的条件下用等离子喷涂、电子束物理气相沉积、溅射离子镀等手段制作，此类涂层的组成部分是可以控制的，同时具备抗腐蚀性能等优点，其缺点是生产的成本较高而且工艺设备造价很高，即便生产出来也难以均匀的涂在基体表面。
4.3.2 陶瓷涂层此涂层是可以在低温低压下用等离子喷涂制作而成的。
4.4 纳米涂层[4]如果用离子溅射沉积的方法来处理铸态合金表面，可以得到这种纳米涂层在二个方面的作用：一方面，这种涂层的应用可以明显提高合金基体的抗高温抗氧化性能，进而提高对合金基体进行保护作用，其作用机理就是改善氧化薄膜，另一方面这种涂层的使用不会使其材料与基体发生不利的作用。
5.Ni-Cr-Al合金高温氧化的研究进展Ni-Cr-Al合金是在80Ni-20Cr 合金的基础上加入Al元素发展起来的，由于该合金优良的耐高温氧化和腐蚀能力而被广泛地用于热防护涂层。
Ingard A等人研究了含不同Cr/A1比的Ni-Cr-Al合金在800-1300℃空气或1个大气压氧气中的氧化行为。
发现氧化速率随时间迅速降低，且为理想的抛物线。
主要反应产物为NiO，Cr2O3，α-A12O3和Ni（Cr，A1）2O4。
反应产物相对量是成分、温度、氧压和反应时间的函数。
Ni-9Cr-6Al合金由于在所有温度下都形成α-A12O3具有最好的抗氧化性能。
孙长波等研究了Ni-Cr-Al合金在1000℃空气中的氧化行为，经过试验发现在合金中添加Al元素以后使合金的氧化速度很明显的下降了，促使合金在高温条件下自身的抗氧化性能得到显著的提高;合金元素Al的添加使合金表面生成连续致密的Cr2O3薄膜，继而还降低了在合金外层形成Cr2O3薄膜需要Cr的含量，合金元素Cr，还使合金表面氧化薄膜的内部生成极薄A12O3，含Cr为20%，含Al为2.5%的Ni基合金在高温情况下在合金表面形成连续致密的氧化薄膜，成分为Cr2O3，而在Cr2O3薄膜内部形成极薄的A12O3薄膜，进而抑制了NiO的生长. 这些研究结果表明，合适的Al，Cr合金化可以使合金发生选择氧化。
Cr，Al选择氧化可以提高Ni-Cr-Al合金的高温氧化性能。
Ni-Cr-Al合金氧化膜与基体的粘附性不是很好，导致氧化过程中有轻微的氧化膜剥落，就其原因人们作了大量研究。
早期有人注意到杂质硫会向Ni及Ni基合金表面的偏聚，且氧化膜的粘附性与杂质元素硫偏聚有关。
Ni-Cr-Al合金在真空炉中进行高温退火处理时，发现当以杂质元素形式存在的硫含量为50×10-6的合金，表面的硫含量可以达到20at%，从而引起氧化膜的严重剥落。
Ni-Cr-Al合金内添加微量稀土可以显著改善合金的抗高温氧化性能。
如已发展的含稀土氧化物的弥散强化合金即（ODS合金），抗高温腐蚀性能最优异的包覆涂层MCrAl-Y（M代表Ni、Co或Fe）。
Funkenbusch等曾对不同S与Y添加量的Ni20Cr12Al（%）合金的循环氧化进行了研究.由于Y的加入，合金表面的氧化膜的粘附性确实得到了很大提高。
人们已经对稀土元素的微观作用机制进行了大量研究，其中提出了一些具有代表性的模型：微钉理论、空位阱理论、生长应力消除理论、氧化膜塑性理论及硫效应模型，但到目前还没有统一的模型，已经提出的多种模型都存在局限性。
6.Ni-Cr-Al-Y涂层高温氧化研究进展Ni-Cr-Al-Y耐高温涂层材料，其热膨胀系数介于金属和陶瓷之间，有着良好的抗氧化抗腐蚀的综合性能，即可以单独用作热障涂层（TBCS）也可以作为热障涂层中的粘结层使用。
广泛应用于大型燃气涡轮发动机叶片等高温部件的热障涂层中，工作温度一般在1000℃以上。
热障涂层的应用不仅可以提高基体抗高温腐蚀能力，进一步提高发动机工作温度，而且可以减少能耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。
李美姮等研究了溅射Ni-Cr-Al-Y涂层氧化过程A12O3膜结构与形貌的转变，结果发现溅射Ni-Cr-Al-Y涂层在900℃～1100℃氧化过程中，氧化膜存在θ→α-A12O3相变，其相变的速度与温度有关，温度越高，相变越快;涂层表面生成的氧化膜形貌取决于氧化温度和时间，θ-A12O3随着温度的提高或同一温度下时间的延长，从针状依次变化为晶须状和刀片状或簇拥成团，而α-A12O3为颗粒状;对溅射Ni-Cr-Al-Y涂层进行真空热处理，可促进氧化膜的相变，使涂层表面快速形成保护性的α-A12O3 。
张玉娟等[22]研究了Ni-Cr-Al-Y涂层的表面状态对高温氧化行为的影响，经研究发现：抛光态涂层在1050℃恒温氧化，短期内（150h）生成α-A12O3保护膜，氧化膜与基体的粘附性好，氧化动力学曲线成抛物线型，涂层抗氧化性好;150h后，保护性氧化膜被破坏，动力学曲线转为线性上升，涂层抗氧化能力下降。
喷涂态涂层的长期抗恒温氧化能力比抛光态涂层强。
在1050℃恒温氧化300h，动力学曲线符合抛物线规律，表面α-A12O3保护膜无破坏。
无涂层涂覆的基体合金表面不能生成α-A12O3保护膜，合金抗氧化能力差。
楼翰一等研究Ni-Cr-Al纳米晶合金在1000℃的高温氧化行为，研究发现纳米晶化大大扩展了铸态Ni-Cr-Al合金氧化时，连续外A12O3层生成区的成分范围;更为重要是，在常温高温合金所在的成分区域内，纳米晶合金可以在氧化初期直接一步生成抗氧化性和粘附性十分优良的A12O3膜。
7.展望随着科学技术的进一步发展，Ni-Cr-Al高温合金将被更广泛的应用到国防、工业生产的各个领域，合理的控制好合金中Al和Cr的含量有利于氧化薄膜更好的形成，同时适量的加入稀土元素有利于控制S元素对薄膜脱落的影响，更好的保护Ni-Cr-Al合金基体，以便更好的发挥Ni-Cr-Al合金优良的抗高温、抗氧化性能。
参考文献[1]石力开.化学材料词典[M].化学工业出版社，2006.[2]朱日彰.金属腐蚀学[M].北京冶金工业出版社，1989.[3]唐兆麟.Ti-Al金属间化合物的高温氧化防护涂层[D].沈阳：中科院金属所博士论文，1997.[4]陈磊，王富岗抗高温氧化合金的研究进展[J].材料导报，2002，16（5）：27-29.。