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高溫合金管知識

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高溫合金管

 

  高溫合金管是一種合金管││☁▩,在 600~1200℃高溫下能承受應力並具有氧化或腐蝕能力的合金₪▩·。

  高溫合金管按基體元素主要可分為鐵基高溫合金☁✘、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金₪▩·。按製備工藝可分為變形高溫合金☁✘、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金₪▩·。按強化方式有固溶強化型☁✘、沉澱強化型☁✘、氧化物彌散強化型和纖維強化型等(見金屬的強化)₪▩·。高溫合要用於製造航空☁✘、艦艇和工業用燃氣輪機的渦輪葉片☁✘、導向葉片☁✘、渦☁✘、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件(圖1);還用於製造航天飛行器☁✘、火箭發動機☁✘、核反應堆☁✘、石油化工裝置以及煤的轉化等能源轉換裝置₪▩·。

  變形高溫合金管介紹↟◕•:

  變形高溫合金是指可以進行熱☁✘、冷變形加工││☁▩,工作溫度範圍-253~1320℃││☁▩,具有良好的力學效能和綜合的強☁✘、韌性指標││☁▩,具有較高的氧化☁✘、腐蝕效能的一類合金₪▩·。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金₪▩·。

  1☁✘、固溶強化型合金

  使用溫度範圍為900~1300℃││☁▩,氧化溫度達1320℃₪▩·。例如GH128合金││☁▩,室溫拉伸強度為850MPa☁✘、屈服強度為350MPa;1000℃拉伸強度為140MPa☁✘、延伸率為85%,1000℃☁✘、30MPa應力的持久壽命為200小時☁✘、延伸率40%₪▩·。固溶合金一般用於製作航空☁✘、航天發動機燃燒室☁✘、機匣等部件₪▩·。

  2☁✘、時效強化型合金

  使用溫度為-253~950℃││☁▩,一般用於製作航空☁✘、航天發動機的渦與葉片等結構件₪▩·。製作渦的合金工作溫度為-253~700℃,要求具有良好的高低溫強度和疲勞效能₪▩·。例如↟◕•:GH4169合金││☁▩,在650℃的屈服強度達1000MPa;製作葉片的合金溫度可達950℃││☁▩,例如↟◕•:GH220合金││☁▩,950℃的拉伸強度為490MPa││☁▩,940℃☁✘、200MPa的持久壽命大於40小時₪▩·。

  變形高溫合要為航天☁✘、航空☁✘、核能☁✘、石油民用工業提供結構鍛件☁✘、餅材☁✘、環件☁✘、棒材☁✘、板材☁✘、管材☁✘、帶材和絲材₪▩·。

  鑄造高溫合金管

  鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型件的一類高溫合金₪▩·。其主要特點是↟◕•:

  1.具有更寬的成分範圍由於可不兼顧其變形加工效能││☁▩,合金的設計可以集中考慮最佳化其使用效能₪▩·。如對於鎳基高溫合金││☁▩,可透過調整成分使γ’含量達60%或更高││☁▩,從而在合金熔點85%的溫度下││☁▩,合金仍能保持優良效能₪▩·。

  2.具有更廣闊的應用領域由於鑄造方法具有的優點││☁▩,可根據件的使用需要││☁▩,設計☁✘、製造出近終形或無餘量的具有任意複雜結構和形狀的高溫合金鑄件₪▩·。

  根據鑄造合金的使用溫度││☁▩,可以分為以下三類↟◕•:

  第一類↟◕•:在-253~650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的範圍溫度內具有良好的綜合性能││☁▩,是在低溫下能保持強度和塑性均降₪▩·。如在航空☁✘、航天發動機上用量較大的K4169合金││☁▩,其650℃拉伸強度為1000MPa☁✘、屈服強度850MPa☁✘、拉伸塑性15%;650℃││☁▩,620MPa應力下的持久壽命為200小時₪▩·。已用於製作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用複雜結構件等₪▩·。

  類↟◕•:在650~950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學效能及熱腐蝕效能₪▩·。例如K419合金││☁▩,950℃時││☁▩,拉伸強度大於700MPa☁✘、拉伸塑性大於6%;950℃││☁▩,200小時的持久強度大於230MPa₪▩·。這類合金適於用做航空發動機渦輪葉片☁✘、導向葉片及整鑄渦輪₪▩·。

  第三類↟◕•:在950~1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度範圍內具有優良的綜合性能和氧化☁✘、熱腐蝕效能₪▩·。例如DD402單晶合金││☁▩,1100℃☁✘、130MPa的應力下持久壽命大於100小時₪▩·。這是國內使用溫度的渦輪葉片材料││☁▩,適用於製作新型發動機的一級渦輪葉片₪▩·。

  隨著精密鑄造工藝技術的不斷││☁▩,新的也不斷出現₪▩·。細晶鑄造技術☁✘、定向凝固技術☁✘、複雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大││☁▩,應用範圍不斷₪▩·。

  粉末冶金高溫合金管

  採用霧化高溫合金粉末││☁▩,經熱等靜壓成型或熱等靜壓後再經鍛造成型的生產工藝製造出高溫合金粉末的產品₪▩·。採用粉末冶金工藝││☁▩,由於粉末顆粒細小││☁▩,冷卻速度快││☁▩,從而成分均勻││☁▩,無宏觀偏析││☁▩,而且晶粒細小││☁▩,熱加工效能好││☁▩,金屬利用率高││☁▩,成本低││☁▩,合金的屈服強度和疲勞效能有較大的₪▩·。

  FGH95粉末冶金高溫合金││☁▩,650℃拉伸強度1500MPa;1034MPa應力下持久壽命大於50小時││☁▩,是當前在650℃工作條件下強度水平的一種盤件粉末冶金高溫合金₪▩·。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求,是高推重比發動機渦☁✘、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料₪▩·。

  氧化物彌散強化(ODS)合金管

  是採用的機械合金化(MA)工藝││☁▩,細的(小於50nm)在高溫下具有穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散於合金基體中││☁▩,而形成的一種的高溫合金₪▩·。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持││☁▩,具有優良的高溫蠕變效能☁✘、的高溫氧化效能☁✘、碳☁✘、硫腐蝕效能₪▩·。

  目前已實現商業化生產的主要有三種ODS合金↟◕•:

  MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃││☁▩,居高溫合金氧化☁✘、碳☁✘、硫腐蝕之位₪▩·。可用於航空發動機燃燒室內襯₪▩·。

  MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃並保持相當高的高溫強度☁✘、耐中鹼玻璃腐蝕₪▩·。現已用於製作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片₪▩·。

  MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa☁✘、屈服強度為192MPa;1100℃││☁▩,1000小時持久強度為127MPa││☁▩,居高溫合金之位││☁▩,可用於航空發動機葉片₪▩·。

  金屬間化合物高溫材料

  金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要應用前景的☁✘、輕比重高溫材料₪▩·。十幾年來││☁▩,對金屬間化合物的基礎性研究☁✘、合金設計☁✘、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟││☁▩,在Ti-Al☁✘、Ni-Al和Fe-Al系材料的製備加工技術☁✘、韌化和強化☁✘、力學效能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就₪▩·。

  Ti3Al基合金(TAC-1)││☁▩,TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8~5.8g/cm3)☁✘、高溫☁✘、高鋼度以及優異的氧化☁✘、蠕變等優點││☁▩,可以使結構件減重35~50%₪▩·。Ni3Al基合金││☁▩,MX-246具有很好的耐腐蝕☁✘、損和耐氣蝕效能││☁▩,展示出的應用前景₪▩·。Fe3Al基合金具有良好的氧化蝕效能││☁▩,在中溫(小於600℃)有較││☁▩,成本低││☁▩,是一種可以部分取代不鏽鋼的新材料₪▩·。

  環境高溫合金管

  在民用工業的很多領域││☁▩,服役的構件材料都處於高溫的腐蝕環境中₪▩·。為滿足市場需要││☁▩,根據材料的使用環境││☁▩,歸類出系列高溫合金₪▩·。

  1☁✘、高溫合金母合金系列

  2☁✘、腐蝕高溫合金板☁✘、棒☁✘、絲☁✘、帶☁✘、管及鍛件

  3☁✘、☁✘、耐腐蝕高溫合金棒材☁✘、彈簧絲☁✘、焊絲☁✘、板☁✘、帶材☁✘、鍛件

  4☁✘、耐玻璃腐蝕系列產品

  5☁✘、環境耐蝕☁✘、硬表面高溫合金系列

  6☁✘、特種精密鑄造件(葉片☁✘、增壓渦輪☁✘、渦輪轉子☁✘、導向器☁✘、儀表接頭)

  7☁✘、玻棉生產用離心器☁✘、高溫軸及輔件8☁✘、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌

  9☁✘、閥門座圈

  10☁✘、鑄造“U”形電阻帶

  11☁✘、離心鑄管系列

  12☁✘、奈米材料系列產品

  13☁✘、輕比重高溫結構材料

  14☁✘、功能材料(膨脹合金☁✘、高溫合金☁✘、恆彈性合金系列)

  15☁✘、生物材料系列產品

  16☁✘、電子工程用靶材系列產品

  17☁✘、動力裝置噴嘴系列產品

  18☁✘、司太立合金片

  19☁✘、溫氧化腐蝕爐輥☁✘、輻射管₪▩·。

  高溫合金管制造工藝↟◕•:

  高溫合金管制造工藝或少含鋁☁✘、鈦的高溫合金││☁▩,一般採用電弧爐或非真空感應爐冶煉₪▩·。含鋁☁✘、鈦高的高溫合金如在大氣中熔鍊時││☁▩,元素燒損不易控制││☁▩,氣體和夾雜物進入較多││☁▩,所以應採用真空冶煉₪▩·。為了進一步降低夾雜物的含量,改善夾雜物的分佈狀態和鑄錠的結晶組織,可採用冶煉和二次重熔相結合的雙聯工藝₪▩·。冶煉的主要手段有電弧爐☁✘、真空感應爐和非真空感應爐;重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐₪▩·。

  固溶強化型合金和含鋁☁✘、鈦低(鋁和鈦的總量約小於 4.5%)的合金錠可採用鍛造開坯;含鋁☁✘、鈦高的合金一般要採用擠壓或軋製開坯││☁▩,然後熱軋成材││☁▩,有些產品需進一步冷軋或冷拔₪▩·。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造₪▩·。

  合金化程度較高☁✘、不易變形的合金││☁▩,目前廣泛採用精密鑄造成型││☁▩,例如鑄造渦輪葉片和導向葉片₪▩·。為了減少或消除鑄造合金中垂直於應力軸的晶界和減少或消除疏鬆││☁▩,近年來又發展出定向結晶工藝₪▩·。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結晶方向生長││☁▩,以得到無橫向晶界的平行柱狀晶₪▩·。實現定向結晶的要工藝條件是在液相線和固相線之間建立並保持大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件(見金屬的凝固)₪▩·。此外││☁▩,為了消除晶界││☁▩,近年來還研究單晶葉片的製造工藝₪▩·。

  高溫合金管粉末冶金工藝↟◕•:

  高溫合金管主要用以生產沉澱強化型和氧化物彌散強化型高溫合金₪▩·。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至塑性₪▩·。

  高溫合金管發展趨勢↟◕•:

  高溫合金發展的趨勢是進一步合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力││☁▩,延長合金壽命₪▩·。就渦輪葉片材料而言││☁▩,單晶葉片將進入實用階段││☁▩,定向結晶葉片的綜合性能將得到改進₪▩·。此外││☁▩,有可能採用激冷態合金粉末製造多層擴散連線的空心葉片││☁▩,從而適應燃氣溫度的需要₪▩·。就導向葉片和燃燒室材料而言││☁▩,有可能使用氧化物彌散強化的合金││☁▩,以大幅度使用溫度₪▩·。為了腐蝕和蝕效能││☁▩,合金的護塗層材料和工藝也將獲得進一步發展₪▩·。

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