我国典型金属间化合物基高温结构材料的研究进展与应用
高温结构材料
高温结构材料作者：10063122翁丰壕10063121温可明关键词：高温合金金属间化合物摘要：在材料中，有一类叫结构材料，主要利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。
金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。
高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
下面我们来了解高温结构材料的几种主要类型，制造工艺，应用现状及发展趋势，以便为我们的研究指明方向。
引言：随着工业文明的发展，全球一体化的深入，对深空世界的探索，人类对各种材料的要求也越来越高，特别是航空航天领域，对材料的耐高温性能有着近乎苛刻的要求。
我们明白，只有提高材料的各项性能，才能让我们的飞行器更快，更强，所以对高温结构材料的研究，一直是我们注重的方向。
一、高温结构材料主要类型：高温合金：指在650°C以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。
目前常是镍基、铁基、钴基高温合金的统称。
金属间化合物：金属与金属或与类金属元素之间形成的化合物。
难熔金属合金：有将熔点高于锆熔一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属（钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛），也点（1852℃）的金属称为难熔金属。
以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。
等等二、高温结构材料的应用现状： 1.镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。
若以150MPA-100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度〉1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金〈850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。
所以人们称镍合金为发动机的心脏。
目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。
高温合金材料的研究进展
高温合金材料的研究进展高温合金材料是指在高温环境下具有优异性能的金属材料，它们被广泛应用于航空、航天、能源等领域。
随着科学技术的快速发展，高温合金材料不断得到改良和升级，其性能有了显著提高。
本文将介绍高温合金材料的研究进展及其应用领域的最新成果。
一、高温合金材料的分类及特点高温合金材料主要分为镍基、钴基和铁基合金三类。
镍基合金的使用最为普遍，具有高温强度、耐蠕变和耐热腐蚀等特点，被广泛应用于航空、石化、电力等领域。
钴基合金具有高温强度和耐热腐蚀性能，是工作温度达到1100℃以上的超高温合金的首选材料。
铁基合金具有出色的高温强度和韧性，被广泛应用于发电、汽车发动机等领域。
二、高温合金材料的研究进展高温合金材料的研究分为两个方向：一是提高强度和耐用性，二是减轻材料的重量，同时保持性能不变或提升。
本节将介绍高温合金材料的研究进展。
1. 镍基合金的研究镍基合金是目前应用最为广泛的高温合金材料。
近年来，镍基合金的研究主要集中在提高其高温强度和抗氧化性能。
一些先进镍基合金已经实现了工作温度达到1200℃以上。
此外，材料的质量也得到了改良，比如采用更高纯度的材料制备、优化材料的成份和微观结构等方法。
2. 钴基合金的研究钴基合金是超高温合金的首选材料，因为它们可以在1100℃以上的高温环境下保持高强度和良好的韧性。
近年来，钴基合金的研究主要集中在改进其热稳定性和强度。
一些研究表明，添加Ti和Mo、纳米颗粒等元素或采用先进的材料制备技术可以明显提高钴基合金的稳定性和强度。
3. 铁基合金的研究铁基合金具有出色的高温强度和韧性，是发电、汽车发动机等领域的首选材料。
近年来，铁基合金的研究主要集中在提高其高温强度和减轻其重量。
研究表明，添加Mo、Cr等元素或采用先进的制备工艺可以明显提高铁基合金的强度和耐用性。
三、高温合金材料在航空航天、石化和能源领域的应用高温合金材料广泛应用于航空、航天、石化、电力等领域。
下面将着重介绍高温合金材料在航空、石化和能源领域的应用。
TiAl基合金概述
TiAl基合金综述摘要TiAl基合金是一种新型高温结构材料，本文介绍了TiAl基合金的成份组成和几种制备加工工艺，分析了其高温蠕变性能和抗氧化性能，最后简述了它的发展趋势和应用领域。
关键词：T iAl基合金、成份组成、制备工艺、蠕变性能、应用0 前言金属间化合物简称IMC，是指金属与金属、金属与类金属间形成的化合物。
一般金属材料都是以相图中端际固溶体为基体；而金属间化合物材料则以相图中间部分的有序金属间化合物为基体。
金属间化合物可以具有特定的组成成分，也可以在一定范围内变化，从而形成以化合物为基体的固溶体。
因此，与传统的金属材料相比，这是一种完全不同的新材料。
TiAl系金属间化合物是常用的一种金属间化合物，其中TiAl基金属间化合物是该系列中前景最为广阔的一种。
TiAl基合金因具有优良的高温性能和较低的密度而成为世界上目前研究得最为热门的高温结构材料之一。
其性能与显微组织密切相关, 其中粗大的全层状组织(FT)具有优良的高温抗蠕变性能和较高的断裂韧性, 但其室温延性低；细小的双态组织具有优良的室温延性, 但其高温抗蠕变性能和断裂韧性低。
正是由于高温蠕变性能好和密度低，TiAl基合金可在900℃左右长期使用，在超声波及高超声速飞行器中具有很好的应用前景，同时也决定了它在脆性和热稳定性等方面具有的不利因素；也由于其在超耐热钛合金使用的温度范围内显示出高的比强度和高比刚度，可望用作航空飞机引擎和机体材料以及汽车阀摇杆等材料。
然而，TiAl基合金属于极难加工材料，通常在700℃以下范围内，其塑性极差，伸长率仅有2﹪～3﹪,无法进行塑性加工，在大与1100℃高温下，虽然塑性有所改变，但变形抗力仍然很大，其流动应力高达200MPa，且要求变形时保持相当低的应变率（s/103 ），因而很难对其进行塑性加工。
室温塑性低、热塑性变形能力差和在850℃以上抗氧化能力不足这三大缺陷是TiAl基合金实用化的主要障碍。
但是因其应用领域宽广，不管是在航空、航天，还是在军工、民用等，TiAl基合金作为轻质耐热结构材料一直备受关注，其研究前景一直被众多学者看好。
211084146_Nb3Sn_金属间化合物材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势
科学研究创Nb3Sn金属间化合物材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势江涛（西安石油大学材料科学与工程学院陕西西安710065）摘 要：N b3Sn金属间化合物材料具有很多优秀的性能，如较高的熔点、较高的密度、较高的力学性能，以及良好的耐磨损性能、良好的抗高温氧化性能、良好的耐腐蚀性能等。
此外，Nb3Sn金属间化合物材料还是具有超导性能的超导材料。
本文主要叙述了Nb3Sn金属间化合物材料的研究发展现状，并对Nb3Sn金属间化合物材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。
关键词：N b3Sn金属间化合物制备技术研究发展现状发展趋势中图分类号：T G146.15文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)09(c)-0005-07 Preparation Technology, Research Status and DevelopmentTrend of Nb3Sn Intermetallic Compound MaterialsJIANG Tao(School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an, Shaanxi Province,710065 China)Abstract:Nb3Sn intermetallic compound materials exhibit many excellent properties, such as high melting point, high density, high mechanical property and excellent wear resistance, excellent high temperature oxidation resistanceand excellent corrosion resistance. In addition, Nb3Sn intermetallic compounds are superconducting materials withsuperconducting properties. This paper mainly describes the research and development status of Nb3Sn intermetalliccompound materials, and analyzes and forecasts the future research and development trend of Nb3Sn intermetallic compound materials.Key Words: Nb3Sn intermetallic compounds; Preparation technology; Research and development status; Develop-ment trendNb3Sn金属间化合物材料具有很多优秀的性能，如较高的力学性能和良好的耐磨损性能、良好的抗高温氧化性能和良好的耐腐蚀性能及良好的超导性能等。
新型钴基高温合金成分设计的研究进展
㊀第43卷㊀第3期2024年3月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.3Mar.2024收稿日期:2021-07-29㊀㊀修回日期:2021-11-25基金项目:国家自然科学基金钢铁联合研究基金重点项目(U1960204);国家自然科学基金面上项目(51871042,52171107);中央高校基本科研业务费专项资金项目(N2023026)第一作者:张旭明,男,1998年生,硕士研究生通讯作者:高秋志,男,1981年生,副教授,硕士生导师,Email:neuqgao@马庆爽,女,1989年生,讲师,硕士生导师,Email:maqsneuq@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202107062新型钴基高温合金成分设计的研究进展张旭明1,2,马庆爽1,2,张海莲3,毕长波4,张会杰1,2,李会军5,高秋志1,2(1.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛066004)(2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819)(3.秦皇岛市道天高科技有限公司,河北秦皇岛066000)(4.东北大学秦皇岛分校控制工程学院,河北,秦皇岛066004)(5.天津大学材料科学与工程学院,天津300354)摘㊀要:传统钴基高温合金的强化机制为固溶强化和碳化物强化,弱于有序γᶄ相沉淀强化的镍基高温合金的强化效果,日本学者发现了有序γᶄ相强化的Co-Al-W 系新型钴基高温合金,其强化效果明显优于传统钴基高温合金㊂由于新型钴基高温合金具有较传统镍基高温合金更高的承温能力以及更加优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能,因此被认为是最具潜力的航空发动机热端材料之一,近年来得到迅速发展㊂基于国内外学者对新型钴基高温合金的研究成果,系统总结多种合金元素(如Ta,Ti,W 和Nb 等)对新型钴基高温合金组织和性能的影响㊂在组织方面,总结合金元素对合金相变温度㊁γᶄ相的体积分数及形态㊁γᶄ相的尺寸㊁γ/γᶄ两相晶格错配度和有害相的影响;在性能方面,总结合金元素对合金抗氧化性能㊁力学性能及抗蠕变性能的影响,以期为新型钴基高温合金的成分设计提供参考㊂最后对新型钴基高温合金成分的高效率设计进行展望㊂关键词:钴基高温合金;成分设计;γᶄ相;组织性能;蠕变中图分类号:TG146.1+6㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)03-0230-08引用格式:张旭明,马庆爽,张海莲,等.新型钴基高温合金成分设计的研究进展[J].中国材料进展,2024,43(3):230-237.ZHANG X M,MA Q S,ZHANG H L,et al .Research Progress on Composition Design of Novel Cobalt Based Superalloy[J].MaterialsChina,2024,43(3):230-237.Research Progress on Composition Design ofNovel Cobalt Based SuperalloyZHANG Xuming 1,2,MA Qingshuang 1,2,ZHANG Hailian 3,BI Changbo 4,ZHANG Huijie 1,2,LI Huijun 5,GAO Qiuzhi 1,2(1.School of Resources and Materials,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China)(2.State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China)(3.Qinhuangdao Daotian High Technology Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066000,China)(4.School of Control Engineering,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China)(5.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300354,China)Abstract :The strengthening mechanism of traditionalcobalt-based superalloys is solid solution strengthening and carbide strengthening whereas,both solid solution strength-ening and carbide strengthening are weaker than that of nickel-based superalloys with ordered γᶄprecipitation.Jap-anese scholars discovered a novel type of Co-Al-W superal-loys with ordered γᶄphase strengthening,and its strengthe-ning effect is significantly better than that of traditional co-balt-based pared with traditional nickel-based superalloys,the novel cobalt-based superalloys have higher temperature capability,more excellent high tempera-ture creep resistance and oxidation resistance,therefore,the novel cobalt-based superalloys are considered to be the㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展most potential aeroengines hot side materials and have developed rapidly in recent years.In this review,based on the re-search results of the novel cobalt-based superalloys by scholars at home and abroad,the effects of various alloying elements (such as Ta,Ti,W,Nb and so on)on the structure and properties of novel cobalt-based superalloys were systematically summarized.In terms of microstructure,the effects of alloying elements on transformation temperature,volume fraction and morphology ofγᶄphase,the size ofγᶄphase,the lattice misfit ofγ/γᶄtwo phase and the harmful phase were summarized. Meanwhile,in terms of properties,the effects of alloying elements on oxidation resistance,mechanical property and creep resistance of the alloy were also discussed,it is expected to provide reference for the composition design of novel cobalt-based superalloys.Finally,the high efficiency design of novel cobalt-based superalloys are prospected.Key words:Co-based superalloy;composition design;γᶄphase;microstructure and properties;creep1㊀前㊀言高温合金是指能够在600ħ以上的高温环境下正常工作,承受较为复杂的机械应力,具有稳定性的同时又高合金化的金属材料[1]㊂常见的高温合金有铁基㊁镍基和钴基3种,高温合金具有组织稳定㊁强度高㊁抗氧化性好以及抗蠕变性能优良等特点,目前广泛应用于能源动力㊁航空航天等领域[2-4]㊂随着对高温合金性能要求越来越高,提高高温合金的承温能力尤为重要[5]㊂航空发动机和燃气轮机中应用最成功的是镍基高温合金,由于熔点的限制导致其承温能力的提升极为有限,因此开发承温能力更高的新型高温合金是未来该领域的重点研究方向[6]㊂沉淀强化型钴基高温合金即新型钴基高温合金,相比镍基高温合金具有更加优异的抗蠕变性能㊁抗腐蚀性能㊁耐磨性以及更高的熔点[7],开发潜力大,应用前景广阔[8]㊂实验证明,诸多合金化元素(如: Al,Ta,Ni等)能够提高钴基高温合金强化相的稳定性㊂目前关于合金元素对钴基高温合金组织和性能影响的研究相对独立,部分常见合金元素对钴基高温合金组织和性能的影响还尚未形成统一认识㊂本文系统总结了Ni, Ti,Mo和Cr等常见合金化元素对新型钴基高温合金组织性能的影响,以期为新型钴基高温合金的进一步成分设计和组织调控提供参考,并对该合金成分的设计进行了展望㊂2㊀新型钴基高温合金概述2006年,Sato等[9]开发了具有L12结构γᶄ-Co3(Al, W)强化相的新型Co-Al-W系高温合金,该合金的固㊁液相线温度比镍基单晶高温合金高100~150ħ[10-12]㊂相比常规镍基高温合金,新型Co-Al-W系高温合金具有更强的各向弹性异性[13],相关研究也表明Co-Al-W基新型高温合金的机械性能较为优异[14-17];但是γ/γᶄ两相区过窄[9,18]㊁γᶄ相的高温稳定性低[19-21]以及合金密度大等特点限制了该合金在航天工业中的应用㊂因此在提高新型钴基高温合金相稳定性的同时如何降低其质量密度是当前研究的重要问题[22]㊂钴基高温合金中常见相的晶体学参数如表1所示[5,23]㊂新型钴基高温合金的组织主要由γ-Co基体相和γᶄ-Co3X(X=Al,Ti和Ta等)两相组成㊂其中,γ-Co是面心立方(fcc)的相,高温下fcc结构的Co较为稳定㊂经热处理后的γᶄ相主要呈立方结构,但是由于晶格错配度的改变也可能呈球状[24]㊂一方面,固溶元素含量越高,固溶强化的效果也越显著,Mo和Ni等合金化元素可以提高γᶄ相的溶解温度[9,10,15,25-27];但另一方面,过量的合金化元素会导致有害二次相如β-CoAl㊁χ-Co3W和μ-Co7W6等在基体中析出,降低合金的组织稳定性㊂表1㊀钴基高温合金中常见相的晶体学参数[5,23] Table1㊀Crystallographic parameters of common phases in cobalt based superalloy[5,23]Phase Structure symbol ExampleεA3CoγA1CoγᶄL12Co3(Al,W)μD85Co7W6βB2CoAlηD024Ni3TiχD019Co3W3㊀合金化元素对新型钴基高温合金物理性能及组织的影响3.1㊀合金化元素对新型钴基高温合金相变温度及密度的影响㊀㊀高温合金相变温度的高低决定了合金承温能力的大小㊂合金相变温度越高,承温能力自然也就越高㊂Lass[28]利用CALPHAD热力学数据库探究了Ni元素对新型钴基高温合金的影响机理,结果表明,由于Ni元素倾向分布在γᶄ相中从而提高了γᶄ相的溶解温度,同时也扩大了Co-Al-W-Ni系新型钴基高温合金高温下稳定的γ/γᶄ两相区㊂Chen等[22]测量了分别添加多种合金化元素后的Co-5Al-14V-2X四元合金相变温度,如图1所示,Ti,Nb 和Ta等合金化元素可显著提高γᶄ相溶解温度,而Cr元132中国材料进展第43卷素增加了γᶄ相中Cr 原子与近邻原子的结合能,导致γᶄ相的生成能增加,使γᶄ相的溶解温度降低[29]㊂图1㊀Co-5Al-14V-2X 四元合金的γᶄ相溶解温度㊁固相线温度和液相线温度[22]Fig.1㊀γᶄsolvus,solidus and liquidus temperatures of the Co-5Al-14V-2X quaternary alloys [22]Jin 等[30]利用第一性原理计算了Co 3(Al,M )(M =Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta 和W)化合物的稳定性和力学性能,研究发现,大多数化合物都具有比较好的稳定性,Al 是稳定L12结构的重要元素㊂各种成分的钴基合金以及Mar-M-247镍基合金的相变温度如图2所示[15,22,31-34]㊂诸多新型钴基高温合金的相变温度高于传统镍基高温合金,尤其是含有难熔合金化元素的新型钴基高温合金,如Co-9Al-9W㊁Co-5Al-14V 等㊂这是因为Ti,Nb,Ta 和W等难熔合金化元素的加入在新型钴基高图2㊀基于文献整理的各种钴基合金的γᶄ相溶解温度㊁固相线温度和液相线温度[15,22,31-34]Fig.2㊀γᶄsolvus,solidus and liquidus temperatures of various Co-based alloys based on literature reviews [15,22,31-34]温合金中形成了高熔点的化合物,同时作为强γᶄ相形成元素,提高了γᶄ相的体积分数,从而实现了强化效果[26]㊂通常认为,高的γᶄ相溶解温度是提高高温合金服役温度的基础㊂低密度同样是高温结构材料不断追求的目标之一㊂图3为各种钴基高温合金的密度[22,33,35-39]㊂难熔元素的加入导致新型钴基高温合金密度大幅上升,其中Co-9Al-9.8W 高温合金密度最高,可达9.82g㊃cm -3,这是其较高的含W 量导致的㊂实验证明,其他合金化元素(Mo,Cr,V 和Ti 等)代替W 元素后,合金密度大幅下降,甚至可与传统镍基高温合金媲美㊂图3㊀基于文献整理的各种钴基高温合金的密度[22,33,35-39]Fig.3㊀Density of various Co-based superalloys based on literaturereviews [22,33,35-39]3.2㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γᶄ相体积分数的影响㊀㊀合金中γᶄ相的体积分数主要由合金化元素向γᶄ相的分配决定,较高的γᶄ相体积分数使合金具有更优异的力学性能[40]㊂Chen 等[22]和Makineni 等[41]对不同Ni 含量的新型钴基高温合金中的γᶄ相体积分数进行了统计,发现γᶄ相的体积分数随着Ni 元素含量的增加大幅提升㊂Cr 元素含量增加会降低γᶄ相的体积分数,Cr 在合金中倾向于分布在γ相基体中[42],同时大量Cr 元素会导致合金中有害第二相的析出,从而消耗大量其他合金化元素,使γᶄ相体积分数降低㊂Ta,Ti 和Nb 等作为强γᶄ相形成元素,在合金中分布于γᶄ相之中,其含量增加可增加γᶄ相的体积分数;而Mo 元素在γ/γᶄ两相之间接近平均分232㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展配,对合金中γᶄ相体积分数的影响较小[22,23,43-45]㊂Wang等[46]通过第一性原理计算发现Ru,Rh,Pd,Ir 和Pt 元素倾向于占据Co 3Ta 中的Co 位,而Re 元素倾向于占据Co 3Ta 中Ta 的位置,从而提高γᶄ的相体积分数㊂应该明确的是,较大的γᶄ相体积分数可增大位错运动的阻力,从而使得合金的瞬时拉伸强度和持久强度提高㊂3.3㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γ/γᶄ相晶格错配度的影响㊀㊀新型钴基高温合金中γᶄ相的形态由界面自由能和错配应变能两方面因素共同决定㊂界面自由能与错配应变能之和越小,γᶄ相的形态越稳定㊂一般来说,界面自由能与错配应变能分别与界面面积和γ/γᶄ相的晶格错配度有关,晶格错配度绝对值越大,错配应变能越大[47]㊂新型钴基高温合金中晶格错配度一般为正值,当晶格错配度较小时,γᶄ相的形态由界面自由能主导,体积相同时球体的表面积最小,故γᶄ相倾向于呈球状;当晶格错配度较大时,γᶄ相的形态由错配应变能主导,由于金属弹性一般呈各向异性,故γᶄ相倾向于呈立方状㊂晶格错配度δ可定义为[41]:δ=2(a γᶄ-a γ)a γᶄ+a γ(1)其中,a γᶄ和a γ分别为γᶄ相和γ相的晶格常数㊂Ni 元素使γᶄ相的晶格常数变小,导致晶格错配度减小,促使γᶄ相球化㊂在含W 钴基高温合金中添加Cr 元素,由于Cr 原子占据W 原子的位置,导致合金晶格错配度减小而使γᶄ相趋于球状[48,49]㊂Gao 等[50]研究了不同成分钴基高温合金时效后的晶格错配度(图4),发现Cr 元素的加入降低了合金的晶格错配度㊂Ti 是钴基高温合金中γᶄ相形成元素之一,会增大γ/γᶄ两相的晶格错配度进而使合金中γᶄ相倾向于呈立方状㊂Ta 原子掺杂会引起更大的晶格畸变,所以Ta 元素对晶格错配度增加的贡献要大于Ti 元素[51]㊂Hf 也可以增大合金中γ/γᶄ相的错配度,因此同样有利于改善合金强度[52]㊂一般来说,合金化元素的原子半径与Co 原子半径相差越大,引起的图4㊀利用XRD 测量的γ/γᶄ两相之间的晶格错配度[50]Fig.4㊀Lattice misfit between the γ-and γᶄ-phases measured by high-energy synchrotron X-ray diffraction [50]晶格畸变越大,越会导致合金晶格错配度的提高,从而使γᶄ相越倾向于呈立方状㊂Zenk 等[49]发现提高γ/γᶄ两相界面处的晶格畸变,能够有效阻碍合金变形过程中位错的运动,提高合金力学性能㊂凡是能够增大γᶄ相晶格常数的合金元素(如Nb,Ti 和Ta 等),都能增加γᶄ相周围的共格应变,起到强化作用㊂但错配度太大会降低高温下γᶄ相的稳定性,容易聚集长大从而松弛弹性应力[52]㊂晶格错配度越小的γᶄ相则具有更高的高温稳定性,因而此类合金的抗蠕变性能也更加优异[53]㊂3.4㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γᶄ相尺寸的影响㊀㊀影响γᶄ相尺寸和长大的因素主要有合金元素的扩散㊁晶格错配度㊁弹性模量等,γᶄ相的尺寸大小对合金的性能也具有至关重要的影响,一般来说γᶄ相的尺寸越小,分布越弥散,合金的性能越好[54]㊂不同含量的合金组织如图5所示,Chen 等[22]研究统计了不同Ni 质量分数(10,20,30)的合金组织中γᶄ相的平均尺寸分别为(324ʃ74),(425ʃ150)和(496ʃ153)nm,发现随着Ni 含量的增加γᶄ相出现了明显的粗化现象㊂图5㊀Co-x Ni-8Al-12V 合金在900ħ固溶退火处理72h 后的SEM 照片[22]:(a)x =10,(b)x =20,(c)x =30Fig.5㊀Field emission scanning electron microscope images of Co-x Ni-8Al-12V quaternary alloys annealed at 900ħfor 72h after solu-tion annealing treatment [22]:(a)x =10,(b)x =20,(c)x =30332中国材料进展第43卷㊀㊀Gao 等[50]对γᶄ相的尺寸统计结果显示,γᶄ相的平均尺寸随Ti 元素含量的增加而增加㊂Ti 原子在合金中的扩散速率比Al 原子更快,降低了两相之间的界面能导致γᶄ相生长的驱动力增大㊂Cr 和Mo 元素都能促进合金中γᶄ相的粗化,且Mo 元素的影响更大㊂Pandey 等[47]认为Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)模型仅适用于含Ti 量较低的高温合金㊂一般来说,γᶄ相的长大分为2个过程,在时效时间较短即时效初期,γᶄ相依靠原子的扩散进行生长;在时效时间较长即时效后期,γᶄ相主要依靠互相合并进行长大[44,55]㊂3.5㊀合金化元素对新型钴基高温合金中μ相和η相的影响㊀㊀μ相是一种主要由2种不同大小的金属原子构成的拓扑密排相,其结构为D85结构㊂作为一种硬脆相,μ相可能会成为裂纹的形核位置和拓展通道[38],μ相析出的同时会消耗大量的合金元素,减弱合金固溶强化及沉淀强化作用㊂有害相一般在晶界析出,但当Cr 元素的含量足够高时,有害相也会在晶粒内部析出,从而强烈降低合金力学性能㊂图6为不同新型钴基高温合金的显微组织照片㊂可以发现,Cr 元素含量的增加导致W 元素在γ相和γᶄ相中的溶解度降低,促进μ相的沉淀析出[32,36,44]㊂同时有文献表明,Ni 元素能够提高合金的组织稳定性,有效减少μ-Co 7W 6有害相的析出,提高合金的力学性能[56]㊂η相是一种具有D024结构的有害相,与μ相类似,倾向于在晶界析出减弱强化作用,会对合金性能产生不良影响[23]㊂郭建亭[57]认为,Al /Ti 原子数比值是合金中能否形成η相的决定性因素,同时Al +Ti 含量和Al /Ti 原子数比值也是影响合金中γᶄ相体积分数和γᶄ/γ两相晶格错配度的关键因素,一般地,Al +Ti 含量越高γᶄ相体积分数越高,γᶄ/γ两相晶格错配度也越高;Al /Ti 原子数比值越高,γᶄ相体积分数越高,γᶄ/γ两相晶格错配度越低㊂因此要严格控制合金Al +Ti 含量和Al /Ti 原子比,避免η相的析出对合金组织稳定性和力学性能产生不良影响,同时保证钴基合金具有较高的γᶄ相体积分数和较宽的加工窗口㊂图6㊀不同Cr 含量合金固溶处理后的SEM 照片:(a)9Cr-A 合金[36],(b)12Cr 合金[44],(c)8Cr 合金[32],(d)12Cr 合金[44]Fig.6㊀SEM images of alloys with different Cr contents after solution treatment:(a)9Cr-A alloys [36],(b)12Cr alloys [44],(c)8Cralloys [32],(d)12Cr alloys [44]4㊀合金化元素对合金性能的影响4.1㊀合金化元素对钴基高温合金抗氧化性、抗热腐蚀性的影响㊀㊀抗氧化性和抗热腐蚀性也是衡量合金高温性能好坏的一项重要指标[58,59]㊂在新型钴基高温合金中,Al 除稳定γᶄ相外,还能在合金表面形成致密的Al 2O 3氧化薄膜来提高合金的抗氧化性[60]㊂但Ti 的存在会引入空位,降低Al 2O 3的热力学稳定性,从而降低合金的抗氧化性㊂Chung 等[32]证实Cr 降低了合金的氧化层厚度,随着Cr 浓度的增加,更薄的氧化层足以形成耐氧化的表面(图7)㊂同时有实验证明较高的Cr 含量有助于形成结构致密的Cr 2O 3和Al 2O 3,阻止O 进一步扩散到基体中[23]㊂Cr 元素与Al 元素可以协同作用加速Al 2O 3的形成,即降低形成Al 2O 3层所需的临界Al 浓度[36,61]㊂合金表面致密的Al 2O 3和Cr 2O 3氧化层阻断O 向基体的扩散,提432㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展图7㊀不同合金的氧化层截面组织照片[32]:(a)L24-0Cr 合金,(b)L24-12Cr 合金Fig.7㊀Micrographs of oxide layer structure of different alloys[32]:(a)L24-0Cr,(b)L24-12Cr alloys高合金的抗氧化性㊂Chen 等[42]发现6Cr 钴基高温合金并没有优异的抗氧化性,因为合金中γᶄ相的体积分数减小导致γ相基体优先氧化,适当高的γᶄ相体积分数也能提高合金抗氧化性㊂Ni 元素能够促进Cr 2O 3的生长及延缓合金的结节性氧化,提高合金的抗氧化性能[62]㊂此外,Ta 的添加也被证实能在一定程度上提高合金的抗热腐蚀性能[52]㊂4.2㊀合金化元素对新型钴基高温合金力学性能及抗蠕变性能的影响㊀㊀作为结构构件的物质基础,结构材料的性能直接影响到构件能否满足使用要求,因此结构材料的设计往往对其力学性能提出要求㊂图8为Makineni 等[41]测试的Co-10Al-5Mo-2Nb 和Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb Co 基高温合金的拉伸性能,2种合金依靠高γᶄ相含量,室温下强度达到了800MPa,超过了诸多含W 钴基高温合金㊂W 能够引起明显的晶格膨胀,阻止位错运动,同时提高γᶄ相的体积分数,提高合金强度㊂Mo元素在钴基高温合金中易图8㊀不同Co 基高温合金在不同条件下的拉伸应力-应变曲线[41]:(a)室温下Co-10Al-5Mo-2Nb,(b)室温下Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb,(c)870ħ时Co-30Ni-10Al-5Mo-2NbFig.8㊀Tensile stress-strain curves of different Co-based alloys at dif-ferent conditions [41]:(a)Co-10Al-5Mo-2Nb at room temper-ature,(b )Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb at room temperature,(c)Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb at 870ħ与C 形成大量的MoC 碳化物,细小弥散的碳化物也可以改善合金的力学性能,同时也在一定程度上达到细晶强化的效果㊂Ti 会增大γᶄ相的粗化速率,对合金力学性能产生不利影响,但Bocchini 等[63]证明Ti 提高了合金的高温强度,这说明γᶄ相体积分数增大对合金的强度提升效果超过了组织粗化带来的负面影响㊂在Co-Al-W 基合金中,少量的B 元素能够促进富W 硼化物在晶界的析出,起到晶界强化的作用,有利于提高合金的力学性能[64]㊂高温合金需要在高温环境下长时间服役,因此要求它具有优异的抗蠕变性能㊂蠕变是指在恒应力或载荷下所发生的缓慢而连续的塑性变形,关于蠕变的研究对高温合金具有非常重要的意义㊂可通过探究合金化元素对新型钴基高温合金抗蠕变性能的影响及其机理进而对它进行针对性的设计㊂Cr 元素含量的增加显著增大了蠕变最小稳态应变速率[65],Povstugar 等[66]认为当合金中加入Cr 元素以后会生成有害的二次相并改变合金的堆垛层错能,恶化合金的抗蠕变性能,而Ni 能够部分抵消Cr 对合金抗蠕变性能的恶化[44]㊂W 和Nb 元素均能够强烈降低γ相基体的堆垛层错能,有效改善高温合金的抗蠕变性能㊂得益于晶界强化的作用,含B 合金拥有较其他合金更优异的抗蠕变性能㊂在Co-Al-W 基合金中加入Ta 元素能够明显提高合金的蠕变寿命,但与其他元素如Si 和Mo 等同时存在时会析出大量金属间化合物,降低合金抗蠕变性能[67]㊂在合金蠕变的过程中,经常出现γᶄ相的定向粗化,通常称之为筏化[66,68-70]㊂钴基高温合金一般表现出正晶格错配,在压缩状态下γᶄ相会在所施加压应力的垂直方向与拉应力的平行方向发生筏化[71]㊂如图9所示,0Cr 和4Cr 合金中的γᶄ相出现了筏化现象㊂8Cr 合金没有发生筏化是因为大量Cr 原子占据W 原子的晶格后降低了晶格错配度,导致γᶄ相缺乏各向异性的应力场,进而使筏化的驱动力减小[44]㊂5㊀结㊀语高温合金不仅是航空发动机的重要材料,也是能源㊁化工领域高温耐蚀部件的重要材料㊂新型钴基高温合金具有比镍基高温合金更高的γᶄ相溶解温度和熔点,但γᶄ相的高温稳定性还有待提高㊂本文主要针对不同合金化元素对新型钴基高温合金组织性能的影响做了总结梳理㊂Ni 能够有效提高合金性能,但过量的Ni 导致γᶄ相形态改变,新型钴基高温合金中的Ni 含量应保持在30%(原子数分数,下同)以下;Ti,Ta 和Nb 等强γᶄ相形成元素能够大幅提高γᶄ相的体积分数,过量将导致γᶄ相的加速粗化和密度增加,常见钴镍基高温合金中Ti,Ta 和Nb532中国材料进展第43卷图9㊀不同Co基合金蠕变后的SEM照片[44]:(a,b)0Cr,(c,d) 4Cr,(e,f)8CrFig.9㊀Post-creep SEM images of different Co-based alloys[44]:(a,b) 0Cr,(c,d)4Cr,(e,f)8Cr含量为2%~4%;Cr在提高合金的抗氧化性[72]的同时可促进有害相的析出,降低合金力学性能,新型钴基高温合金中Cr含量一般控制在4%~6%以下㊂新型钴基高温合金具有多项优于传统钴基高温合金的性能,是最具潜力的高温合金之一㊂但与发展相对成熟的镍基高温合金相比,新型钴基高温合金的发展和应用仍然具有很大的挑战,如合金的制造工艺以及零件的加工和热处理工艺尚不成熟等㊂目前我国合金成分设计数据库仍然不够健全,但随着计算材料学㊁材料基因工程等领域的发展,CALPHAD㊁第一性原理计算㊁机器学习等方法将在合金的高效设计中发挥更大的作用,将材料计算㊁计算机仿真模拟等多种设计思路与实验相结合有望实现新型钴基高温合金的高通量设计㊂参考文献㊀References[1]㊀杜金辉,吕旭东,董建新,等.金属学报[J],2019,55(9):1115-1132.DU J H,LV X D,DONG J X,et al.Acta Metallurgica Sinica[J], 2019,55(9):1115-1132.[2]㊀LIU Z,GAO Q,ZHANG H,et al.Materials Science&Engineering:A[J],2019,755:106-115.[3]㊀程远,赵新宝,岳全召,等.稀有金属材料与工程[J],2023,52(7):2599-2611.CHENG Y,ZHAO X B,YUE Q Z,et al.Rare Metal Materials and Engineering[J],2023,52(7):2599-2611.[4]㊀JIANG J,LIU Z,GAO Q,et al.Materials Science&Engineering:A[J],2020,797:140219.[5]㊀刘健.元素对γᶄ沉淀强化型钴基高温合金组织及力学性能的影响[D].合肥:中国科学技术大学,2019.LIU J.Effects of Alloying Elements on the Microstructure and Mechan-ical Behavior ofγᶄ-Strengthed Co-Base Superalloys[D].Hefei:Uni-versity of Science and Technology of 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新型高温合金材料的研究和应用
新型高温合金材料的研究和应用新型高温合金材料是指能够在高温条件下保持良好的力学性能、腐蚀耐久性和热稳定性的金属合金材料。
随着科技的不断进步和人们对节能降耗、提高材料使用寿命的要求不断提高，新型高温合金材料的研究和应用已经成为一个重要的领域。
一、研究背景高温合金最早用于喷气发动机领域，随着材料科学的不断发展和工业技术的不断创新，高温合金已经成为高端制造业领域的重要组成部分，应用范围逐渐扩大到航空、石油、化工、电力等领域。
在航空航天领域，高温合金材料在喷气发动机、涡轮机等部件中得到了广泛应用。
例如，高压涡轮叶片和涡轮盘的工作环境是高温、高压和强氧化的气流，对材料的力学性能、热稳定性和腐蚀耐久性等要求非常高。
在石油和化工领域，高温合金材料被应用于反应加热器、石油裂化炉、煤气蒸气化炉等高温高压的设备中，以提高设备的使用寿命和安全可靠性。
在电力领域，高温合金材料可以用于制造高温流体化床锅炉、燃气透平等设备，以提高能量利用率和减少车间面积。
二、研究进展新型高温合金材料的研究进展主要围绕以下方面展开。
1. 材料设计和合成高温合金的化学组成和微观结构对其性能有着至关重要的影响。
目前，常见的高温合金包括镍基合金、钴基合金和铁基合金等。
为了提高材料的力学性能和耐久性，可以对材料的微观结构进行调控，例如采用精细晶粒化、合理取向控制等技术来提高材料的塑性和疲劳性能。
2. 样品制备和表征合适的样品制备和表征技术对于评价高温合金的性能和研究其力学特性非常重要。
常见的样品制备方法包括真空电弧熔炼、程序控制温度固化、等离子喷涂等方法；表征技术则包括X射线衍射、扫描电子显微镜等。
3. 应用研究新型高温合金材料在航空、石油、化工、电力等领域的应用研究正在不断深入。
例如，在航空领域，新型高温合金材料被应用于制造轻量化发动机、膨胀式喷气发动机、新一代涡扇发动机等，以提高发动机的性能和效率；在石油和化工领域，新型高温合金材料被用于制造焚烧炉、再生炉、反应器、换热器等高温设备，以提高设备的使用寿命和降低维护成本。
高温合金材料研究及其在航空发动机中的应用
高温合金材料研究及其在航空发动机中的应用一、高温合金材料的概述高温合金材料是指在高温下具有不同程度抗氧化、耐腐蚀、机械性能和热物性能的金属材料。
常见的高温合金材料包括镍基、铜基、钴基、铁基等多种。
这些材料常用于制造航空发动机、核电站、化工设备和航天器等高温环境下的零部件。
由于高温合金材料的高温强度和耐腐蚀性能较好，因此在航空发动机中有着重要的应用。
二、高温合金材料的分类1. 镍基高温合金：镍基高温合金具有优异的高温性能，其在700℃以上的高温下具有较好的高温强度、耐蠕变性和抗氧化腐蚀性能。
因此在制造高温零部件中广泛应用。
其主要应用于航空发动机叶片、涡轮盘和燃烧器等高温零部件。
2. 铜基高温合金：铜基高温合金主要以铜为主体，添加了一些其他元素合金而成。
它具有优秀的高温高强度、高硬度、抗蠕变性能和抗氧化性能，在制造高温零部件中得到广泛应用。
它主要用于喷气发动机叶盘、涡轮盘、热交换器和汽轮发电机等。
3. 钴基高温合金：钴基高温合金强度高，具有较高的耐腐蚀性和耐磨损性，因此在高温和强腐蚀性环境下应用广泛。
由于钴基高温合金的成本较高，因此只应用于特定的领域，如高压液氧涡轮机和航空、航天设备中的高温零部件等。
4. 铁基高温合金：铁基高温合金以铁元素为主体，加入适量的铬、钨、钼等元素。
其具有较好的高温强度和抗氧化性能，在航空发动机、热电站和石化设备等高温领域得到广泛应用。
三、高温合金材料的制备1. 熔铸法：熔铸法是将各种合金材料按照一定比例混合后放入熔炉中熔化，并进行精炼和浇铸成型的方法。
它可以制备各种形状的高温合金材料，在制造大规模的、不同形状的精密零部件时，熔铸法具有优越性。
2. 粉末冶金法：粉末冶金法是一种直接在原位反应产生高温合金材料的方法。
该方法可以在制造高温合金材料时控制合金中的微量元素，并在材料中产生微观尺寸的粉末。
它可以制备出各种材料的粉末，随后使用冷压、模压、等静压等方法制备出各种形状的零部件。
K465镍基高温合金的研究共3篇
K465镍基高温合金的研究共3篇K465镍基高温合金的研究1K465镍基高温合金的研究随着工业化的发展，高温合金已经成为一种非常重要的材料。
高温合金具有高温下的稳定性和耐腐蚀性，在一些高温环境下有着广泛的应用。
K465镍基高温合金是一种应用广泛的高温合金。
K465镍基高温合金是一种有着优秀高温性能的金属材料。
它的主要成分是镍、铬和钼。
在高温下，K465合金具有良好的耐氧化性和耐腐蚀性。
这种合金在高温下还具有高的强度和良好的塑性。
K465合金是一种适用于航空、化工等领域的高性能材料。
K465镍基高温合金的研究是一项重要的课题。
近年来，K465合金的研究已经成为了材料科学领域的研究热点之一。
在国内外的研究者的共同努力下，K465高温合金已经取得了一系列的进展。
在K465镍基高温合金的研究中，研究者首先需要了解合金的组成和结构。
这项工作是研究的基础。
合金的组成和结构可以影响合金的性能和应用范围。
随着先进技术的不断发展，合金组成和结构的分析方法也得到了很大的提升。
现代的分析方法可以从微观和宏观两个方面对材料进行分析。
在K465镍基高温合金的研究中，还需要对合金的物理和化学性质进行研究。
材料的性质直接影响着材料的应用。
通过实验方法，可以对K465合金的物理和化学性质进行深入的了解，为合金的应用和改进提供科学依据。
在K465镍基高温合金的研究中，研究者也需要了解合金在高温环境下的行为。
高温下的合金的性能与室温下的合金不同，因此了解合金在高温环境下的行为对高温合金的应用和改进至关重要。
高温实验平台的建设和实验方法的研究也是这一领域的重要方向。
总的来说，K465镍基高温合金的研究是一项复杂而重要的课题。
在这一领域，需要有跨学科的研究和合作。
随着高温合金研究的不断深入，K465合金的应用范围也将会不断扩大，为科技的进步和工业的发展做出越来越大的贡献综上所述，K465镍基高温合金的研究需要综合运用现代分析方法，深入了解其组成、结构、物理和化学性质以及在高温环境下的行为，从而开发出更优质的合金材料，促进科技和工业的发展。