市場分析新型高溫合金主要包括:粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤材料等四種:
粉末高溫合金技術:FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分數(shù)為$,-左右,其形成元素的原子分數(shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應熔煉制取母合金,然后霧化制取預合金粉末,進而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比,它具有組織均勻、晶粒細小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點,是當前650度工作條件下強度水平的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動機的轉動部件,如渦 和承力環(huán)件等 [7] 。
金屬間化合物用于制作各類先進運載工具動力推進系統(tǒng)的構件,減少自重、提能;
ODS合金具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能,可用于制造發(fā)動鍵部件,也可用于火力發(fā)電系統(tǒng)、煤氣化爐、工業(yè)燃氣輪機和工業(yè)鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發(fā)動機、核反應堆等;
高溫金屬基自潤滑材料主要用于生產高溫自潤滑軸承,主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤滑軸承(包括鑄鋼表面硫化處理軸承)在冶金設備上的應用,該高溫自潤滑軸承具有強度高、承載能力大、潤滑效果好、結構設計合理、噪音小、使用壽命長等優(yōu)點 [6] 。
鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650~1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);為了提高蠕變強度又添加鋁,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期,蘇聯(lián)于40年代后期,中國于50年代中期也研制出鎳基合金。
鎳基合金的發(fā)展包括兩個方面:合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初,真空熔煉技術的發(fā)展,為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期,由于渦輪葉片工作溫度的提高,要求合金有更高的高溫強度,但是合金的強度高了,就難以變形,甚至不能變形,于是采用熔模精密鑄造工藝,發(fā)展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃氣輪機的需要,60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內,鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃,平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢見圖1。
所謂雙相不銹鋼是在其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相各占一半,一般少相的含量也需要達到30%。
由于兩相組織的特點,通過正確控制化學成分和熱處理工藝,使DSS(Duplex Stainless Steel,簡稱DSS),兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下:
⑴屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多,且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%,有利于降低成本。
⑵具有優(yōu)異的耐應力腐蝕破裂的能力,即使是含合金量 的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應力腐蝕破裂的能力,尤其在含氯離子的環(huán)境中。應力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。
⑶在許多介質中應用普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼,而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性,在一些介質中,如醋酸,甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼,乃至耐蝕合金。
⑷具有良好的耐局部腐蝕性能,與合金含量相當?shù)膴W氏體不銹鋼相比,它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼。
⑸比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低,和碳鋼接近,適合與碳鋼連接,具有重要的工程意義,如生產復合板或襯里等。
⑹不論在動載或靜載條件下,比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力,這對結構件應付突發(fā)事故如沖撞,爆炸等,雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯,有實際應用價值。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢如下:
⑴應用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼,例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下。
⑵其塑韌性較奧氏體不銹鋼低,冷,熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。
⑶存在中溫脆性區(qū),需要嚴格控制熱處理和焊接的工藝制度,以避免有害相的出現(xiàn),損害性能。
與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下:
⑴綜合力學性能比鐵素體不銹鋼好,尤其是塑韌性,不象鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。
⑵除耐應力腐蝕性能外,其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼。
⑶冷加工工藝性能和冷成型性能遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼。
⑷焊接性能也遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼,一般焊前不需預熱,焊后不需熱處理。
⑸應用范圍較鐵素體不銹鋼寬。與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢如下:合金元素含量高,價格相對高,一般鐵素體不含鎳。
綜上所述,可以概括地看出DSS的使用性能和工藝性能的樣貌,它以其優(yōu)越的力學與耐腐蝕綜合性能贏得了使用者的青睞,已成為既節(jié)省重量又節(jié)省投資的優(yōu)良的耐蝕工程材料。
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1、GH4169高溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種復雜的合金。它被廣泛地應用于制造各種高溫部件。同時,也是所有高溫合金中為注目的一種合金。它的相對使用溫度在所有普通合金系中也是的。目前,先進的飛機發(fā)動機中這種合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由國際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功,于1995年公開介紹的時效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強化的一種鎳基變形高溫合金,在650℃以下具有高的抗拉強度、屈服強度和良好的塑性,具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能,以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253~650℃很寬的溫度范圍內組織性能穩(wěn)定,成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能,目前被廣泛用于航空發(fā)動機的壓氣機盤、壓氣機軸、壓氣機葉片、渦 、渦輪軸、機匣、緊固件和其它結構件和板材焊接件等 [3] 。
我國于70年代開始研制GH4169合金,主要應用于盤件,使用時間比較短,所以采用真空感應加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開始應用于航空領域,提高和改進材料質量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當前GH4169合金的主要研究方向為:
(1)改進冶煉工藝,量化冶煉參數(shù),實現(xiàn)程序穩(wěn)定操作,使合金顯組織更加均勻,從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強度以及抗裂紋擴展止裂能力,提高低周疲勞強度等;
(2)改進熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的鋼錠中心的偏析,所以對組織的均勻性有不利影響,因此采用合理的均勻化退火工藝,得到細晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一;
(3)改進使用設計。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃,所以應當加強零部件的冷卻,充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點;
(4)提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動機部件的長壽命要求,對于提高GH4169合金長期時效組織穩(wěn)定性方面也是至關重要的。
2、單晶高溫合金
目前單晶合金材料已發(fā)展到第四代,承溫能力到1140℃,已近金屬材料使用溫度極限。未來要進一步滿足先進航空發(fā)動機的需求,葉片的研制材料要進一步拓展,陶瓷基復合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。
單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結構復雜性有關,普通復雜程度的單晶葉片研制周期較短,但在航空發(fā)動機上應用也需經歷較長的時間。從單晶實心葉片到單晶空心葉片、到氣冷復雜空心葉片等,技術難度跨度很大,相應的研制周期跨度也較大。一般一種普通復雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認、模具設計到試制、再到小批投產,需要1~2年時間。但單晶葉片由于其復雜的服役環(huán)境,需要進行大量的驗證試驗,一般一種普通結構的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發(fā)動機上應用需5~10年的時間,有的隨發(fā)動機研制進度,甚至需要15年或更長的時間 [4] 。