是什么让"镍基合金"无惧"高温"?
2016-02-29 11:44:34
作者:本网整理来源:=$docheckrep[1]?ReplaceBefrom($ecms_gr[befrom]):$ecms_gr[befrom]?>
高温合金的开发与研究是飞行器、探测器飞向宇宙、航空航天工业走向成功的关键。高温合金是指能够在 600℃温度以上条件下可以正常工作,并可以承受加大应力,有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金 。高温合金主要应用在航空航天发动机中,其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。主要包括铁基系列高温合金,钴基系列高温合金以及镍基系列高温合金,其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能,是作为航空发动机的首选材料,几乎超过40% 的高温合金均为镍基高温合金。
镍基高温合金叶片
一枝独秀--镍基单晶高温合金
镍基高温合金
镍基高温合金主要成分为 Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素,基体为镍元素,含量在 60% 以上,主要工作温度段在 950℃ -1100℃,在此温度段内服役时,其有较高的强度,较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。
60 年代初期,最早的 80Ni-20Cr镍基高温合金叶片在工作中有断裂情况发生,研究发现,合金中境界出杂质较多,原子扩散速率较快,晶界成为在镍基高温合金服役中易发生裂纹的关键困扰因素。
20 世纪80 年代,凝固技术制备的镍基单晶高温合金开始登上历史舞台,引领镍基单晶高温合金不断发展,合金的成分有了很大的变化。到今天为止镍基单晶高温合金已经发展到第 5 代。
迎刃而上,无惧高温
镍基高温合金
经过数代科学工作者的悉心研究,镍基合金在成分设计的推动和发展下走向高温。
(1)C、B、Hf 等元素的添加。
由于,在单晶镍基合金中添加极少量的C、B、Hf 等元素,有助于强化晶界,在一定程度上提高合金的性能;
(2)难溶元素(Mo、W、Re、Ru)成分的不断增加。
W、Mo、Re 都对镍基单晶高温合金的高温性能有较强的增益作用,但这些元素也会促进 TCP 相的形成,所以如何在增加难溶元素含量的前提下,抑制 TCP 相的生成是当代镍基单晶高温合金设计的一个课题。
到第 5 代镍基单晶高温合金,难溶元素的含量达到了 26.2%。Re 元素从第一代的零添加到第 5 代添加了 6%,虽然Re 元素比较昂贵,但对合金高温性能有较强的提高作用。Mo、W 的含量基本没有变化 ,起到固溶强化的作用。神奇的Ru尽管是难溶元素,但不会促进 TCP 相的生成,反而促进合金成分的均匀化,抑制 TCP 相的生成。展现理想功效的稀土Ru元素将是当代镍基单晶高温合金发展的趋势。
(3)Cr 元素含量降低。
Cr 元素是抗腐蚀元素,研究表明当 Cr 含量在 5% 以下时合金的抗腐蚀及抗氧化性能急速下降,这是因为Cr元素会促进TCP 相的生成。接着人们发现通过添加Re、Ta 元素可以抑制Cr元素的扩散速度,提高组织稳定性,从而提高镍基合金抗腐蚀性能及抗氧化性能。
镍基高温合金的发展趋势
(1)更高的高温性能。
航空航天用的高温材料需要更高的承温能力,更高的蠕变性能;
(2)更好的抗腐蚀性能、抗氧化性能。
在合金设计中尽量少添加 Cr 元素,通过添加难溶元素来提高合金的抗腐蚀性能及抗氧化性能,或者进行表面防护涂层;
(3)发展低密度的镍基高温合金。
重量的增加会增大叶片在转动过程中产生的离心力,增加叶片的负载,从而降低叶片使用寿命,所以发展低密度的镍基高温合金是很有必要的;
(4)发展低成本的镍基高温合金。
随着镍基高温合金的不断发展,Re 元素的含量越来越大,而 Re 元素在地球上含量较少,价格较昂贵,如何通过 Ru 元素的添加来提高镍基单晶高温合金的性能从而减少甚至不添加 Re 元素已降低镍基单晶高温合金的成本是未来的发展趋势之一。
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