航空航天材料－高温合金部分01-概论

《航空航天材料－高温合金部分01-概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空航天材料－高温合金部分01-概论（75页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、高温合金概论高温合金概论参考书：参考书：The Superalloys，Fundamentals and Applications第一讲第一讲 概概 论论美国综合高性能涡轮发动机技术计划美国综合高性能涡轮发动机技术计划 结合新型发动机设计，先进结合新型发动机设计，先进材料具有降低油耗、增加推材料具有降低油耗、增加推重比重比60-7060-70的作用。的作用。高温结构材料是航空航天推进系统中必不可少的高温结构材料是航空航天推进系统中必不可少的 一类重要材料一类重要材料Fig.1 Rolls-Royces Trent 800 engine 发动机叶片材料使用温度发动机叶片材料使用温度 推重比推重比

2、1010：10701100 推重比推重比12-1512-15：11201200 推重比推重比15-2015-20：12501400Different materials strength with different temperatures航空发动机构造航空发动机构造2nd Vanes,1st Vanes(Top)2nd Blades(Bottom)TitaniumTitaniumNickelNickelSteelSteelAluminiumAluminiumCompositesComposites没有先进材料及制造技术就没有先进航空发动机；没有先进材料及制造技术就没有先进航空发动机；未来航

3、空发动机推重比的提高，材料及制造技术的未来航空发动机推重比的提高，材料及制造技术的贡献将占到贡献将占到50%50%70%70%。零件名称零件名称工作温度工作温度/oC应用水平应用水平/MPa使用条件与主要技术要求使用条件与主要技术要求压气机叶片600高屈服强度、高低周疲劳，4000循环寿命燃烧室1000高温耐腐蚀、抗热疲劳、10001300抗氧化级，2000循环寿命涡轮导向叶片1100高温耐腐蚀、抗热疲劳、高初熔温度、单晶叶片、2000循环寿命涡轮转子叶片1100高温持久强度、高温耐腐蚀、抗热疲劳单晶叶片、2000循环寿命涡轮盘750高低周疲劳、高屈服强度、粉末盘、2000循环寿命推重比推重比

4、1010发动机主要热机构件的使用条件与特点发动机主要热机构件的使用条件与特点一、高温合金的定义一、高温合金的定义高温合金：高温合金：以以铁、镍、钴铁、镍、钴为基，能在为基，能在600600以以上上温度、一定温度、一定应力应力条件下、适应条件下、适应不同环境不同环境短短时或长时使用的金属材料。时或长时使用的金属材料。要素：要素：高温、应力条件、表面稳定性：高温、应力条件、表面稳定性：不可缺一不可缺一 高温合金中通常包含高温合金中通常包含1010余种元素，合金化程度余种元素，合金化程度很高，英美称之为很高，英美称之为超合金超合金（Superalloy）。）。1.An ability to with

5、stand loading at an operating temperature close to its melting point.If the operating temperature is enoted Toper and the melting point Tm,a criterion based upon the homologous temperature defined as Toper/Tm is sensible;this should be greater than about 0.6.2.A substantial resistance to mechanical

6、degradation over extended periods of time.For high-temperature applications,a time-dependent,inelastic and irrecoverable deformation known as creep must be considered due to the promotion of thermally activated processes at high .Thus,as time increases,creep strain,is accumulated;for most applicatio

7、ns,materials with low rates of creep accumulation,are desirable.In common with other structural materials,the static properties of yield stress,ultimate tensile strength and fracture toughness are also important and these must be maintained over time.3.Tolerance of severe operating environments.For

8、example,the hot gases generated in a coal-fired electricity-generating turbine are highly corrosive due to the high sulphur levels in the charge.Kerosene used for aeroengine fuel tends to be cleaner,but corrosion due to impurities such as potassium salts and the ingestion of sea-water can occur duri

9、ng operation.In these cases,the high operating temperatures enhance the possibility of oxidation.Under such conditions,any surface degradation reduces component life.二、高温合金的发展二、高温合金的发展高温合金这类材料，由于在高温下能保持很好高温合金这类材料，由于在高温下能保持很好的性能，应用范围广泛。的性能，应用范围广泛。主要应用领域主要应用领域 航空、航天、核工业、能源动力、交通运输、石油化工、冶航空、航天、核工业、能源动力、

10、交通运输、石油化工、冶金等金等航空上的应用航空上的应用 航空发动机热端零部件（涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃航空发动机热端零部件（涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等）烧室等）高温合金用量高温合金用量50%（高性能发动机上（高性能发动机上60%）二、高温合金的分类二、高温合金的分类Q铁基或铁镍基高温合金铁基或铁镍基高温合金以高合金化的Fe基奥氏体或Fe-Ni基奥氏体为基的合金，通常含2560%Ni，最高使用温度800。Q镍基高温合金镍基高温合金:以高合金化的镍基奥氏体为基体的合金(Ni-Al-Cr-Co-W-Mo-Nb-Ta-C-B-Zr-Ce-Y-Hf-Re-Ru)，最高使用温度1150。Q

11、钴基高温合金；钴基高温合金；以高合金化的钴基奥氏体为基体的合金（Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C)最高使用温度1100。QIMC基合金：基合金：Ni3Al、NiAl、高Nb-TiAlQ铬基合金（特殊情况下使用）铬基合金（特殊情况下使用）高温合金的发展是与涡轮发动机的发展密不可分的。高温合金的发展是与涡轮发动机的发展密不可分的。英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家：英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家：高温合金的发展高温合金的发展19391939年，继德国之后年，继德国之后，独立研制成功，独立研制成功WhittleWhittle发动机。发动机。1939年，英国年，英国Mond

12、镍公司镍公司Nimomic75：Ni-20Cr-0.4Ti-0.01C 1939年：年：Nimomic75(Ni-20Cr-0.4Ti-0.01C)760:b=290MPa 1942年：年：Nimomic80(Ni-20Cr-1.3Al-2.5Ti-0.06C）760:b=758MPa 1950s：Nimomic115(Ni-15Cr-15Co-3.5Mo-5.0Al-4.0Ti-0.15C)760:b=1083MPa Rene95(Ni-14Cr-8.0Co-3.0Mo-3.5W-3.5Ta-3.5Al-2.5Ti-0.15C-0.01B-0.05Zr)760:b=1171MPa高温合金的发

13、展：与涡轮发动机的发展密不可分高温合金的发展：与涡轮发动机的发展密不可分1.变形合金向铸造合金发展变形合金向铸造合金发展 变形合金发展中碰到的问题：高温强度高，热变形合金发展中碰到的问题：高温强度高，热加工困难加工困难 发展铸造高温合金（合金化程度大幅度提高）发展铸造高温合金（合金化程度大幅度提高）Al+Ti总量不断提高：总量不断提高：-Ni3(Al,Ti)为为 5065%2.真空感应熔炼真空感应熔炼 提高合金纯洁度提高合金纯洁度 高高Al、Ti含量合金的熔炼含量合金的熔炼工艺的进步推动了合金发展工艺的进步推动了合金发展二、高温合金的发展二、高温合金的发展3.粉末冶金粉末冶金 消除偏析消除偏析

14、 提高初熔温度提高初熔温度50 细小晶粒细小晶粒 提高中温强度和塑性提高中温强度和塑性4.定向结晶定向结晶 高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内 消除主应力方向上的晶界消除主应力方向上的晶界 提高了高温蠕变强度、塑性、热疲劳抗力提高了高温蠕变强度、塑性、热疲劳抗力 降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点工艺的进步推动了合金发展工艺的进步推动了合金发展二、高温合金的发展二、高温合金的发展高温合金的发展高温合金的发展高温合金的发展高温合金的发展二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相QNi基固溶体基固溶体 (FCC)QN

15、i3Al(FCC)实际合金中为实际合金中为 (Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)Q碳化物碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3Q硼化物硼化物:M3B2Q”-Ni3Nb(BCT)在高在高Nb合金如合金如718中存在中存在Q相相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相针状相,对中、对中、高温性能有害高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效中温长期时效)Q-A7B6相相(三角晶系三角晶系):高高W,Mo合金中出现合金中出现Q不常见的相不常见的相:Laves相相,R相相,相相 高温合金中的金属间化合物相高温合金中的金属间化合物相相相组成组成晶体结构晶体结构点阵

16、常数点阵常数/nmNi3Al面心立方（有序）面心立方（有序）a=0.359Ni3Nb体心立方（有序）体心立方（有序）a=0.362；c=0.741；c/a=2.04Ni3Nb正交（有序）正交（有序）a=0.551；b=0.425；c=0.456Ni3Ti密排六方（有序）密排六方（有序）a=0.511；c=0.830NiAl体心立方（有序）体心立方（有序）a=0.291FeCr四方四方a=0.879；c=0.456；c/a=0.456B7A6三角三角a=0.4760.479；c=2.5702.59LavesB2A密排六方密排六方a=0.4750.483；c=0.7690.777Ni5ZrNi5Z

17、r面心立方面心立方a=0.671Ni5HfNi5Hf面心立方面心立方a=0.669二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相QNi基固溶体基固溶体 (FCC)QNi3Al(FCC)实际合金中为实际合金中为 (Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)Q碳化物碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3Q硼化物硼化物:M3B2Q”-Ni3Nb(BCT)在高在高Nb合金如合金如718中存在中存在Q相相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相针状相,对中、对中、高温性能有害高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效中温长期时效)

18、Q-A7B6相相(三角晶系三角晶系):高高W,Mo合金中出现合金中出现Q不常见的相不常见的相:Laves相相,R相相,相相 高高温温合合金金中中的的间间隙隙相相相名称相名称晶体结构晶体结构点阵常数点阵常数/nmHfC面心立方面心立方0.464ZrC面心立方面心立方0.468TaC面心立方面心立方0.446NbC面心立方面心立方0.446TiC面心立方面心立方0.431VC面心立方面心立方0.418ZrN面心立方面心立方0.423NbN面心立方面心立方0.439TiN面心立方面心立方0.423VN面心立方面心立方0.413TaN密排六方密排六方a=0.305；c=0.495Cr7C3斜方斜方a=

19、0.452；b=0.699；c=1.211M23C6复杂面心立方复杂面心立方a=1.0501.070M6C复杂面心立方复杂面心立方a=1.1001.175M3B2四方四方a=0.5720.585；c=0.3110.320M2SC六方六方a=0.3200.337；c=1.1201.195二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相Dark-field transmission electron micrograph of precipitates二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相QNi基固溶体基固溶体 (FCC)QNi3Al(FCC)实际合金中为实际合金中为 (Ni,Co,Fe)3(A

20、l,Ti,Nb,Ta)Q碳化物碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3Q硼化物硼化物:M3B2Q”-Ni3Nb(BCT)在高在高Nb合金如合金如718中存在中存在Q相相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相针状相,对中、对中、高温性能有害高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效中温长期时效)Q-A7B6相相(三角晶系三角晶系):高高W,Mo合金中出现合金中出现Q不常见的相不常见的相:Laves相相,R相相,相相 二、高温合金中的主要相二、高温合金中的主要相QNi基固溶体基固溶体 (FCC)QNi3Al(FCC)实际合金中为实际合金中为 (Ni,Co,Fe)3(Al

21、,Ti,Nb,Ta)Q碳化物碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3Q硼化物硼化物:M3B2Q”-Ni3Nb(BCT)在高在高Nb合金如合金如718中存在中存在Q相相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相针状相,对中、对中、高温性能有害高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效中温长期时效)Q-A7B6相相(三角晶系三角晶系):高高W,Mo合金中出现合金中出现Q不常见的相不常见的相:Laves相相,R相相,相相 左图为高温合金的光学 显微镜照片，通常为枝晶组织，枝晶间白色大块为共晶相。左图为高温合金的扫描电镜照片，黑色块状为相，白色编篮状为，白色块状为碳化物。三、高

22、温合金的强化三、高温合金的强化主要强化方法：主要强化方法：u 固溶强化固溶强化u第二相强化第二相强化u晶界强化晶界强化高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化n固溶强化：固溶强化：将一些合金元素(Co,Cr,W,Mo,Nb,Ta,Ti,Al)加入到镍、铁或基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。由于固溶元素可以提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，产生短程有序及其它原子偏聚，阻止位错运动，降低固溶体中元素扩散系数，提高再结晶温度使合金得到强化。高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化固溶强化与以下因素有关：固溶强化与以下因素有关：1.尺寸因素尺寸因素，晶格错配

23、强化，晶格错配强化 （弹性应力场，增加位错运动阻力）（弹性应力场，增加位错运动阻力）=2GC :屈服应力屈服应力 G:切变模量切变模量 :错配度错配度=(a-a0)/(ca0)C:溶质原子浓度溶质原子浓度 溶质强化元素与溶质强化元素与Ni原子直径差原子直径差:Co Fe Cr V Ti Mo W Nb Ta Zr Mg Hf B C+1 +3 +3 +5 +9 +12 +13 +18 +18 +28 +29 30-21 -27 高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化 2.2.原子价差原子价差（电子空位数差）强化（电子空位数差）强化(至至815)815)YsYs Cr Cr Fe Fe

24、Mo,W Mo,W 溶质元素溶质元素NvNv值值 Ti V Cr/Mo/W Mn Fe Co NiTi V Cr/Mo/W Mn Fe Co Ni 6.66 5.66 4.66 3.66 2.66 1.66 0.66 6.66 5.66 4.66 3.66 2.66 1.66 0.66 机理：电子机理：电子/原子比增大，堆垛层错能降低，原子比增大，堆垛层错能降低，增加增加高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化3.高温下高温下(T0.6Tm)降低原子扩散系数降低原子扩散系数u固溶强化作用随温度升高而下降。固溶强化作用随温度升高而下降。晶格畸变弹性应变能及原子不晶格畸变弹性应变能及原子不均

25、匀分布均会因温度升高，使原子扩散能力增大而减弱。均匀分布均会因温度升高，使原子扩散能力增大而减弱。u同时，高温强度不同于室温强度，它更依赖同时，高温强度不同于室温强度，它更依赖原子扩散能力原子扩散能力。u只有那些能提高原子间结合力，只有那些能提高原子间结合力，降低扩散系数降低扩散系数，提高再结晶温度及，提高再结晶温度及阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高高温强度的作用。阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高高温强度的作用。主要强化元素：主要强化元素：W、Mo、Re 机理：高温下保持缓慢的扩散速度，降低其它元素的扩散速度机理：高温下保持缓慢的扩散速度，降低其它元素的扩散速度阻阻止高温下位错攀移

26、止高温下位错攀移提高蠕变抗力提高蠕变抗力高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化10%Cr,W或或Mo对镍的固溶强化作用对镍的固溶强化作用镍合金与纯镍的强度比屈服强度持久强度室温650oC 1h650oC 10h815oC 1h815oC 100hCr-Ni/Ni1.53.02.62.02.0Mo-Ni/Ni2.43.13.62.42.4W-Ni/Ni2.63.24.63.02.7高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化12345678910111213141516170HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoCuZnGaGeAsSe

27、BrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCeBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTIPbBiPoAtRnFrRaAcThPoU高温合金的强化高温合金的强化-固溶强化固溶强化Ni(Co,Fe)连续固溶体形成元素 有限固溶体及化合物形成元素非相互作用元素 离子化合物形成元素n第二相强化：第二相强化：高温合金主要依赖于第二相强化。高温合金主要依赖于第二相强化。第第二二相相强强化化铸造第二相骨架强化铸造第二相骨架强化弥散质点强化弥散质点强化时效析出沉淀强化时效析出沉淀强化/(Ni3Al)、/(NixNb)、碳化物、碳化物碳化物骨架强化碳化物骨架强化（钴基铸造合

28、金）（钴基铸造合金）氧化物质点或其它化合物质点氧化物质点或其它化合物质点高温合金的强化第二相强化高温合金的强化第二相强化高温合金的强化第二相强化高温合金的强化第二相强化:镍基高温合金由于可以获得共格的镍基高温合金由于可以获得共格的相而得到不同相而得到不同寻常的发展寻常的发展:第二相强化主要取决于第二相强化主要取决于:的的Vol.%，的尺寸，形的尺寸，形态，分布，态，分布，相本身的强化相本身的强化相沉淀强化机理相沉淀强化机理）共格应变（晶格常数差别）共格应变（晶格常数差别）弹性模量差别弹性模量差别）相的有序化相的有序化）堆垛层错能差堆垛层错能差）之间产生的附加界面能之间产生的附加界面能）相的相的

29、R现象现象高温合金的强化第二相强化高温合金的强化第二相强化高温合金的强化碳化物强化高温合金的强化碳化物强化u对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳化物硬而脆的本质及其非共格析出特点，其强化作用有以下化物硬而脆的本质及其非共格析出特点，其强化作用有以下特点：特点：低温下位错以低温下位错以Orowan绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难的。困难的。作为时效强化相的碳化物须具备以下条件：作为时效强

30、化相的碳化物须具备以下条件：u具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性u碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件u作为主要强化相的碳化物必须有一定的稳定性。高温下容易作为主要强化相的碳化物必须有一定的稳定性。高温下容易长大的碳化物将失去强化效果。长大的碳化物将失去强化效果。u增增加加碳碳化化物物数数量量及及弥弥散散度度有有利利于于提提高高强强化化效效果果，但但过过高高的的碳碳饱饱和和度度，往往往往有有利利于于形形成成大大块块碳碳化化物物，引引起起脆脆性性。一一般般碳碳化化物物总总量量不不能能太太大大，因

31、因此此强强化化程程度度是有限制的。是有限制的。u强化基体，减小元素的扩散能力。强化基体，减小元素的扩散能力。高温合金的强化碳化物强化高温合金的强化碳化物强化高温合金的强化晶界强化高温合金的强化晶界强化u低温下，晶界是位错运动的阻低温下，晶界是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。一种重要的强化手段。u当温度升高时，晶界对位错运当温度升高时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界动的阻碍作用易被恢复，晶界区的塞积位错容易与晶界的缺区的塞积位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动与迁移。这样高温生晶界滑动与迁移。

32、这样高温下晶界就成为薄弱环节。下晶界就成为薄弱环节。u如右图所示，随温度升高，在如右图所示，随温度升高，在一定温度时，晶界和晶内强度一定温度时，晶界和晶内强度相等，这一温度就是相等，这一温度就是“等强温等强温度度”，一般是一个温度区间。，一般是一个温度区间。晶界晶界晶内晶内T等强等强T熔熔强强 度度高温合金的强化晶界强化高温合金的强化晶界强化纯净化：纯净化：n有些晶界偏聚的元素是低熔点的，并与基体生成低熔有些晶界偏聚的元素是低熔点的，并与基体生成低熔点的化合物或共晶体。它们使合金的热加工性及高温点的化合物或共晶体。它们使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。力学性能显著降低。首先要严格控制气体

33、（首先要严格控制气体（N2、O2、H2）含量）含量控制有害元素的含量，最主要的是铋、蹄、硒、铅、跎。控制有害元素的含量，最主要的是铋、蹄、硒、铅、跎。S，P对高温合金热强性的影响对高温合金热强性的影响Incoloy901合金含磷量(质量分数)650oC持久试验630Mpa650oC，600Mpa 150hM38合金含磷量(质量分数)100h持久性能/Mpa断裂时间/h伸长率/%蠕变变形量/%950oC800oC30X10-68710.20.32550X10-618046050%（高性能发动机上（高性能发动机上60%）零件名称零件名称工作温度工作温度/oC应用水平应用水平/Mpa使用条件与主要技术要求使用条件与主要技术要求压气机叶片600高屈服强度、高低周疲劳，4000循环寿命燃烧室1000高温耐腐蚀、抗热疲劳、10001300抗氧化级，2000循环寿命涡轮导向叶片1100高温耐腐蚀、抗热疲劳、高初熔温度、单晶叶片、2000循环寿命涡轮转子叶片1100高温持久强度、高温耐腐蚀、抗热疲劳单晶叶片、2000循环寿命涡轮盘750高低周疲劳、高屈服强度、粉末盘、2000循环寿命二、高温合金的发展二、高温合金的发展推重比推重比10发动机主要热机构件的使用条件与特点发动机主要热机构件的使用条件与特点