傳統的劃分高溫合金材料可以根據以下3 種方式來進行: 按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。
1、按基體元素種類
⑴鐵基高溫合金
鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素,加入少量的Ni、Cr 等合金元素,耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。
⑵鎳基高溫合金
鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上,適用于1 000℃以上的工作條件,采用固溶、時效的加工過程,可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅。目前就高溫環境使用的高溫合金來分析,使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產量、使用量的一種高溫合金. 很多渦輪發動機的渦輪葉片及燃燒室,甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個多世紀以來,航空發動機所應用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應該說,這一巨大也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發展。
⑶鈷基高溫合金
鈷基高溫合金是以鈷為基體,鈷含量大約占60%,同時需要加入Cr、Ni 等元素來高溫合金的耐熱性能,雖然這種高溫合金耐熱性能較好,但由于各個鈷資源產量比較少,加工比較困難,因此用量不多。通常用于高溫條件( 600 ~ 1 000℃) 和較長時間受極限復雜應力高溫零部件,例如航空發動機的工作葉片、渦 、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能,一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co,以保證其優越的抗熱抗疲勞性。
2、合金強化類型
根據合金強化類型,高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
⑴固溶強化型
所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中,形成單相奧氏體組織,溶質原子使固溶體基體點陣發生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導致交滑移難于進行,合金被強化,達到高溫合金強化的目的。
⑵時效沉淀強化
所謂時效沉淀強化即合金工件經固溶處理,冷塑性變形后,在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金,在650℃的屈服強度達1 000 MPa,制作葉片的合金溫度可達950℃。
不銹鋼材質有:
奧氏體 SUS201 SUS202 SUS301 SUS302 SUS303 SUS303SE SUS303CU SUS304 SUS304L SUS304N1 SUS304N2 SUS304LN SUS304J3 SUS305 SUS309S SUS310S SUS312L SUS316 SUS316L SUS316N SUS316LN SUS316TI SUS316J1 SUS316J1L SUS316F SUS317 SUS317L SUS317LN SUS317J1 SUS836L SU890L SUS321 SUS347 SUS XM7 SUS XM15J1
奧氏體-鐵素體 SUS329J1 SUS329J3L SUS329J4L
鐵素體 SUS405 SUS410L SU430 SUS430F SUS434 SUS447J1 SUSXM27 SUS429 SUS430LX SUS430J1L SUS436L SUS436J1L SUS444 SUS445J1 SUS445J2 SUS447J1
馬氏體 SUS403 SUS410 SUS410J1 SUS410F2 SUS416 SUS420J1 SUS420J2 SUS420F SUS420F2 SUS431 SUS440A SUS440B SUS440C SUS440F
沉淀硬化不銹鋼 SUS630 SUS631
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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,實現程序穩定操作,使合金顯組織更加均勻,從而得到優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,充分發揮該高溫合金的高性能、低成本等優點;
(4)提高組織穩定性能。由于航空發動機部件的長壽命要求,對于提高GH4169合金長期時效組織穩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動機上應用需5~10年的時間,有的隨發動機研制進度,甚至需要15年或更長的時間 [4] 。