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浅析镍基高温合金材料的应用及发展趋势

现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金,其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能,适合长时间在高温下工作,能够抗腐蚀和磨蚀,是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950~1050℃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。因此,研究镍基高温合金对于我国航天...
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%)、在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的,为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求,加入了大量的强化元素,如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等,以保证其优越的高温性能。


    除具有固溶强化作用,高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属间化合物γ′相(Ni3Al或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。


    镍基高温合金具有良好的综合性能,目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘,研究人员对其使用性能提出了更高的要求,国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。


镍基高温合金的应用


    由于在航空航天发动机中,工作条件是高温600~1200℃,应力作用复杂,对材料的要求苛刻;而镍基高温合金具有足够高的耐热强度,良好的塑性,抗高温氧化和燃气腐蚀的能力以及长期组织稳定性,因此镍基高温合金主要应用于制造涡轮发动机热端部件和航空火箭发动机各种高温部件


在航空涡轮发动机上,镍基高温合金主要应用在燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘;在航天火箭发动机上,主要应用在涡轮盘,此外还有发动机轴、燃烧室隔板、涡轮进气导管以及喷灌等。

镍基高温合金的发展趋势


   从用途和发展的角度分析,镍基高温合金的发展趋势必向高强度、抗热腐蚀性、密度小的方向发展。


(1)追求高强度。通过添加适量的Al、Ti、Ta,保证γ′强化相的数量;加入大量的W、Mo、Re等难熔金属元素,也是提高强度的有效途径。但是为了维持良好的组织稳定性,不析出σ、μ等有害相,而在新一代合金中通过加入Ru来提高合金的组织稳定性。


(2)发展抗热腐蚀性能优越的单晶合金。通过添加适量的W、Ta等难熔金属,保证高的Cr含量。


(3)发展密度小的单晶合金。从航空发动机设计的角度考虑,密度大的合金难有作为,特别是对动叶片,在非常大的离心力下是不适合的。为此,要发展密度小的单晶高温合金,如CMSX-6、RR2000、TMS-61、AM-3、ONERAM-3等,其中的RR2000单晶合金实际上是在IN100(K17)合金基础上发展的,密度为7.87g/cm3。



结语:

镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位。从镍基高温合金的特点和用途出发,镍基高温合金的发展势在必行,镍基高温合金是航空工业中使用的重要金属材料,随着要求材料长期服役的飞机发动机和满足高峰负荷发电要求的工业燃气轮机的出现,使用的材料要具有抗疲劳、抗热疲劳、热膨胀系数低、弹性模量高以及密度小的综合性能。因此,研制具有更高承温能力和耐腐蚀性能的高温合金,对我国航空工业的发展具有重要意义。



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