摘要: 敘述了鎳基合金的成分、組織及性能,重點介紹了合金元素對鎳基合金組織和性能的影響。關鍵詞: 鎳基合金；合金元素；顯微組織；性能；綜述當前燃氣渦輪發動機用高溫合金以鎳基合金為主, 在發動機的熱部件中,葉片材料的使用條件最為苛刻,葉片材料的性能一般可代表高溫合金的發展水平。渦輪葉片是燃氣輪機的關鍵部件,為了提高發動機的效率,必須不斷提高渦輪燃氣進口溫度。先進航空發動機的燃氣進口溫度已達到1370℃,推力已達22.6噸,一般葉身部分的溫度為650～980℃,葉根部分的溫度為760℃左右。由於渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用,產生拉應力和彎曲應力,同時燃氣流的高速脈衝,使葉片產生震動應力。葉身部分承受的拉應力平均為14kg/mm2,葉根部分承受的拉應力為28kg/mm2～56kg/mm2。因此葉片材料要有足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度,此外還要有良好的機械疲勞、熱疲勞性能,抗氧化、抗熱腐蝕性能和適當的塑性。 隨著現代航空燃氣渦輪的發展,要求材料能長時間使用。葉片用於艦船上,有海鹽進入高溫渦輪時,海洋氣氛中鈉鹽與燃氣中的硫化物生成Na2SO4,就會使這種硫化物腐蝕加速進行,因此,對燃氣渦輪葉片用的鎳基合金提出新的課題,合金的長期穩定性和熱腐蝕問題已成為當前合金髮展和使用的關鍵。下面根據鎳基合金的化學成分組成,分類敘述主要合金在鎳基合金中的作用。用做渦輪葉片的材料是鎳基合金,美國產,前蘇聯很早有人認為Mo對鎳基合金的耐熱性能和塑性的影響最好,同時加入(10～15)%(W+Mo),則耐熱性能更好。為了提高合金的高溫強度,總的趨勢是日益提高加入合金元素總量,強化效果首先應計算W+Mo和γ＇形成元素的總量,而Co和Cr居於次要地位,合金的強度隨著合金元素總量的增加而提高。Cr起抗氧化、抗腐蝕作用。蠕變過程中鎳基合金破壞的一般方式,主要是沿著垂直於應力方向的晶界進行,加入微量元素,如B(～0.01%),Zr(～0.1%),Ce(～0.1%)和Mg(～0.1%),能顯著改善晶界狀況,提高鎳基合金的蠕變性能。 鎳基合金中加入10多種大量元素和微量元素。Co,Cr,W,Mo主要起固溶強化作用,也是碳化物形成元素,在廣泛應用的鎳基合金中,幾乎都含有10%～20%的Cr,Cr是穩定合金表面最重要的元素,它在基體材料的表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層,加入Cr可形成Cr2O3層,它有低的陽離子空位,所以能阻止金屬元素向外擴散和O,N2,S及其它有害元素向內擴散,能防止材料的氧化和熱腐蝕,但是,過分提高Cr會降低γ＇的固溶溫度。因而也降低合金的高溫強度。(1)能降低Ti和Al在基體中的溶解度,因而增加強化相的數量。(3)通過減少碳化物在晶界上的析出,以減少晶界貧Cr區的寬度。此外,Co還能改善鎳基合金的熱加工性能、塑性和衝擊韌性。W、Mo主要進入合金固溶體,減慢Al,Ti和Cr的高溫擴散速度,加強固溶體中原子結合力,減慢軟化速度。Mo比W的效果更為顯著,只有加入不小於(7%～8%) W時才顯著地改善合金的熱強性。但是使用溫度更高(＞1000℃)時,W的強化作用較顯著。Al、Ti是γ＇相主要形成元素,鎳基合金的高溫性能主要取決於Al,Ti加入總量和Ti-Al比,增加Al、Ti總量可明顯提高γ＇固溶溫度和γ＇體積分量。當前是有最好高溫強度的合金, Al、Ti之和接近10% , Al、Ti、Nb、Ta之和為16%, 低Ti-Al比(高Al低Ti)合金一般在較高溫度下使用,高Ti- Al比(高Ti低Al)合金對於良好的抗熱腐蝕性能是必要的,Ti/Al=2.0時,合金同時具有良好的高溫強度和抗熱腐蝕性能。提高Ti-Al比增強抗熱腐蝕性,但Ti-Al比過高則容易出現粗大片狀(Ni3Ti)相,使合金脆化,強度和塑性都急劇降低。Ta(W也有同樣作用)加入到合金中,除了主要強化γ＇外,還能穩定MC碳化物,在使用過程中推遲甚至阻止碳化物反應,使基體內的Cr穩定,從而間接地起到了抗熱腐蝕作用。Nb主要進入γ＇, 提高γ＇的穩定性, 並強化固溶體。此外,還能提高合金的焊接和工藝性能。加入適量的B、Zr能顯著提高合金的持久壽命,降低蠕變速率,並顯著改善持久缺口敏感性,提高合金的塑性和加工性能,只加入其中一種時,B的作用比Zr顯著,但同時加入B、Zr的合金的性能最好。加入過多的B, 在晶界上形成硬而脆的化合物,有時還是低熔點的,是降低熱加工性和塑性的因素。B、Zr主要存在於晶界上,其作用可以認為是改善晶界形態,一種理論認為, 晶界上的B、Zr能抑制M23C6碳化物早期聚集,延緩晶界裂紋的發生,例如,不含 B、Zr的合金,在蠕變的第一階段(23小時)晶界開始出現裂紋,而含B、Zr的合金, 直到蠕變第三階段(214小時)仍未發生。此外,B、Zr也減少C向晶界上偏析,增加了晶內碳化物的數量,這也可以提高合金的蠕變抗力。晶界上的B、Zr改變了界面能量,有利於改變晶界上第二相的形態,使之更易於球化,提高晶界強度,也提高了合金穿晶轉變為沿晶斷裂的溫度。有些合金加入(1.4%～1.6%)Zr和(0.1%～0.2% )C是為了生成穩定的晶界碳化物, 防止高溫下的晶界滑移提高合金的持久強度。鎳基合金中含(0.005%～0.05%)Mg,可顯著地提高合金的持久性和塑性,減少晶界碳化物、硼化物和硫化物的數量,提高晶間結合力,改善加工塑性,加入Mg量過高,生成Ni-Ni2Mg共晶,反而惡化熱加工性能,對於高Cr含量的鎳基合金Mg 的適宜加入量為0.01%～0.03%。加入0.1%La族元素能穩定地富集在基體晶界上,用這些元素對鎳基合金進行微區域合金化,可影響晶界析出物的分布和形態,並通過淨化晶界提高合金的熱強性和加工性能,由於加入Ce、La等元素,合金在高溫退火是促使晶界形成鏈狀碳化物,改善合金的瞬時和持久性能,La加入到鎳基合金中,還能提高抗熱腐蝕性能,使艇船用燃氣渦輪葉片的抗熱腐蝕性能提高10倍,適當加入量為0.2%, 加入過量,則在晶界上形成Ni5La,降低持久性能,Ce也有同樣作用。對於微量B、Zr、稀土、鹼土元素一般認為加入這些元素改善了晶界狀態,提高晶界強度。蓋上氧化膜於基體合金的粘附性；適量稀土元素可改善合金熱加工性；在冶煉中起脫氧脫硫淨化鋼水作用。鉿在鎳合金中的作用引起人們重視,鎳合金中加入適量的Hf對提高強度和改善塑性起很大作用。隨著現代航空燃氣渦輪的發展,其發動機的工作溫度高達1000～1050,要求材料必須具備足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度等。我國高溫合金是從1956年試製開始的,1958年前後為適應航空工業發展的需要,在仿製國外高溫合金的同時,開始研製我國自己的高溫合金系列,相繼研製成功了一些達到國際水平的新合金,但渦輪葉片合金的發展速度平均每年提高約10℃,目前合金最高的使用溫度為1000～1050,而先進發動機的燃氣進口溫度以達1370℃, 這就對燃氣渦輪葉片用的鎳基合金提出了新課題,以前主要工作是放在改善合金的機械性能方面, 那麼,由於要提高合金的使用壽命和適應各種腐蝕環境的要求合金的長期穩定性和熱腐蝕問題已成為當前合金髮展和使用的關鍵。免責聲明：本文轉自網絡，僅供讀者參考。如果有涉及到版權問題,請聯繫公眾號運營人員，微信號：wxid_w5xzvydslqz922，我們會及時刪除。