高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金。它是20世纪40年代发展起来的一种新型航空金属材料,可在600~1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下,承受复杂应力并长期可靠地工作。高温合金主要用于航空发动机的热端部件,也是航天、能源、交通运输和化学工业的重要材料。
高温合金按其成形工艺分为变形高温合金和铸造高温合金两大类。高温合金的类型及主要牌号见表1-3。
表1-3 高温合金的类型及主要牌号
(续)
1.变形高温合金
变形高温合金按基体可分为镍基变形高温合金、铁基变形高温合金和钴基变形高温合金三类,其中以镍基变形高温合金的发展最快,使用也最广;其次是铁基变形高温合金;钴基变形高温合金虽具有良好的综合性能,但由于资源缺乏,发展受到限制。目前,我国用作涡轮叶片的镍基变形高温合金,其最高使用温度为950℃;用作燃烧室部件的最高使用温度为1000℃;用作涡轮盘的最高使用温度为800~850℃。铁基变形高温合金是在铁-镍-铬基体上添加合金元素发展起来的,虽然在高温抗氧化性和组织稳定性方面,比同类镍基变形高温合金稍差,但在适当的温度范围内,它们具有良好的综合性能,因此在航空发动机上被广泛地应用于燃烧室、涡轮盘、机匣和轴类零件。目前,我国用作燃烧室部件的铁基变形高温合金的最高使用温度可达900~950℃;用作涡轮盘的最高使用温度为650℃。(www.daowen.com)
2.铸造高温合金
铸造高温合金是由合金锭重熔后直接浇注成零件的高温合金,是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料。按合金基体元素分类,可分为铁基(铁-镍基)铸造高温合金、镍基铸造高温合金、钴基铸造高温合金和金属间化合物基铸造高温合金。按合金成形工艺方法分类,可分为普通铸造(等轴晶铸造)高温合金、定向凝固柱晶铸造高温合金和定向凝固单晶铸造高温合金。此外,还有焊接用高温合金丝、粉末冶金高温合金和弥散强化高温合金。
(1)普通铸造高温合金 普通铸造高温合金中铁基铸造高温合金较便宜,但由于其高温性能较低,在高性能发动机上的用量日趋减少。钴基铸造高温合金由于钴资源缺乏,发展受到限制,仅用于少数发动机的导向叶片。镍基铸造高温合金是目前航空发动机上所用牌号最多、用量最大、使用最广的铸造高温合金。该类合金已广泛应用于航空、航天、舰船、能源、交通运输和化工等工业部门制造各种复杂零件。在航空工业上最重要的用途是制造航空燃气涡轮发动机的涡轮叶片、导向叶片、整铸涡轮和导向器、增压器、涡轮机匣、尾喷管调节片等。
(2)金属间化合物(Ni3Al)基铸造高温合金 金属间化合物(Ni3Al)基铸造高温合金是近年发展起来的,由于合金成分简单、高温强度高、密度低、价格较低而备受重视,已成功应用于制造1150℃以下工作的涡轮导向叶片。JG4006合金是国内外首个应用于航空发动机的金属间化合物基铸造高温合金,具有高温比强度高、初熔温度高、密度较低和成本较低的特点。
(3)定向凝固柱晶铸造高温合金 定向凝固柱晶铸造高温合金是在铸造高温合金的基础上,采用先进的现代铸造工艺技术而发展起来的具有柱状晶粒的合金。该类合金的蠕变、机械疲劳及冷热疲劳等性能都比相应的铸造高温合金明显提高。定向凝固柱晶铸造高温合金由于消除了垂直于应力轴的横向晶界,使其承温能力比普通铸造等轴晶合金提高约50℃,已广泛应用于制作燃气涡轮叶片。
(4)定向凝固单晶铸造高温合金 定向凝固单晶铸造高温合金是在铸造高温合金和定向凝固柱晶铸造高温合金的基础上发展起来的无晶界合金。其合金成分特点是不添加晶界强化元素,组成相简单。定向凝固单晶铸造高温合金采用特种精密铸造方法,随着温度梯度和结晶速度的不同,合金可呈树枝状组织、胞状组织和平面凝固组织。定向凝固单晶铸造高温合金是目前性能水平最高的铸造高温合金,国外第三代单晶高温合金(如CMSX-10、Rene、N6、RR3000)的耐高温能力可达1100℃。
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