高溫合金的開發(fā)與研究是飛行器、探測(cè)器飛向宇宙、航空航天工業(yè)走向成功的關(guān)鍵。高溫合金是指能夠在 600℃溫度以上條件下可以正常工作，并可以承受加大應(yīng)力，有一定耐腐蝕性、抗氧化性等良好高溫性能的合金 。高溫合金主要應(yīng)用在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、燃燒室等部件幾乎由高溫合金制成。主要包括鐵基系列高溫合金，鈷基系列高溫合金以及鎳基系列高溫合金，其中鎳基高溫合金擁有良好的組織結(jié)構(gòu)及蠕變性能，是作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料，幾乎超過40% 的高溫合金均為鎳基高溫合金。
 

鎳基高溫合金葉片

 

   一枝獨(dú)秀--鎳基單晶高溫合金
 

鎳基高溫合金

 

   鎳基高溫合金主要成分為 Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素，基體為鎳元素，含量在 60% 以上，主要工作溫度段在 950℃ -1100℃，在此溫度段內(nèi)服役時(shí)，其有較高的強(qiáng)度，較強(qiáng)的抗氧化能力以及抗腐蝕能力。

 

   60 年代初期，最早的 80Ni-20Cr鎳基高溫合金葉片在工作中有斷裂情況發(fā)生，研究發(fā)現(xiàn)，合金中境界出雜質(zhì)較多，原子擴(kuò)散速率較快，晶界成為在鎳基高溫合金服役中易發(fā)生裂紋的關(guān)鍵困擾因素。

 

   20 世紀(jì)80 年代，凝固技術(shù)制備的鎳基單晶高溫合金開始登上歷史舞臺(tái)，引領(lǐng)鎳基單晶高溫合金不斷發(fā)展，合金的成分有了很大的變化。到今天為止鎳基單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第 5 代。

 

   迎刃而上，無懼高溫  
 

鎳基高溫合金
 

    經(jīng)過數(shù)代科學(xué)工作者的悉心研究，鎳基合金在成分設(shè)計(jì)的推動(dòng)和發(fā)展下走向高溫。

 

 

   由于，在單晶鎳基合金中添加極少量的C、B、Hf 等元素，有助于強(qiáng)化晶界，在一定程度上提高合金的性能；

 

 

   W、Mo、Re 都對(duì)鎳基單晶高溫合金的高溫性能有較強(qiáng)的增益作用，但這些元素也會(huì)促進(jìn) TCP 相的形成，所以如何在增加難溶元素含量的前提下，抑制 TCP 相的生成是當(dāng)代鎳基單晶高溫合金設(shè)計(jì)的一個(gè)課題。

 

   到第 5 代鎳基單晶高溫合金，難溶元素的含量達(dá)到了 26.2%。Re 元素從第一代的零添加到第 5 代添加了 6%，雖然Re 元素比較昂貴，但對(duì)合金高溫性能有較強(qiáng)的提高作用。Mo、W 的含量基本沒有變化 ,起到固溶強(qiáng)化的作用。神奇的Ru盡管是難溶元素，但不會(huì)促進(jìn) TCP 相的生成，反而促進(jìn)合金成分的均勻化，抑制 TCP 相的生成。展現(xiàn)理想功效的稀土Ru元素將是當(dāng)代鎳基單晶高溫合金發(fā)展的趨勢(shì)。

 

 

   Cr 元素是抗腐蝕元素，研究表明當(dāng) Cr 含量在 5% 以下時(shí)合金的抗腐蝕及抗氧化性能急速下降，這是因?yàn)镃r元素會(huì)促進(jìn)TCP 相的生成。接著人們發(fā)現(xiàn)通過添加Re、Ta 元素可以抑制Cr元素的擴(kuò)散速度，提高組織穩(wěn)定性，從而提高鎳基合金抗腐蝕性能及抗氧化性能。

 

 

 

   航空航天用的高溫材料需要更高的承溫能力，更高的蠕變性能；

 

 

   在合金設(shè)計(jì)中盡量少添加 Cr 元素，通過添加難溶元素來提高合金的抗腐蝕性能及抗氧化性能，或者進(jìn)行表面防護(hù)涂層；

 

 

   重量的增加會(huì)增大葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的離心力，增加葉片的負(fù)載，從而降低葉片使用壽命，所以發(fā)展低密度的鎳基高溫合金是很有必要的；

 

 

責(zé)任編輯：周婭

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