超高温合金.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,超高温合金,一、概述,二、研究内容,三、制备方法,四、发展趋势,五、参考文献,六、思考题,概述,超高温合金涵义：,超高温合金一般是指在,1000,以上使用具有,高强度、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、抗蠕变、和密,度适中等性能的金属材料。,超高温合金发展历程：,20,世纪,30,年代镍基高温合金开始发展起来，从,20,世纪,50,年代，高温合金的发展就侧重于镍基高温合金，我国从,20,世纪,60,年代开始研制镍基高温合金，经过四十多年的努力，国内研制成功的镍基高温合金已有,70,多种。但是随着工业建设和科学技术的飞速发展，对高温合金提出了更高要求：更高的耐高温性，目前应用的镍基单晶高温合金由于受其自身熔点,(1400,左右,),的限制，连续使用温度上限仅为,1100,。，迫切需要在,1093-1370,范围内使用的金属材料,1,。从而近几年来引出了一个新的概念：超高温材料，其中超高温合金就是主要的研究方向。,通常按生产工艺分为,变形超高温合金、粉末冶金超高温合金和铸造,超高温合金，而铸造超高温合金又经历了定向,凝固超级合金、定向结晶合金、单晶合金、共,晶合金和弥散强化超级合金等。,超高温合金种类,为使材料承受较高温度和具有较高强度，合金中往往加入数种甚至十几种合金元素，这些元素包括,Ai,、,Ti,、,Co,、,Mo,、,W,、,Nb,、,Ta,、,Hf,、,Re,、,V,、,Mn,、,Si,、,C,、,B,、,Zr,、稀土等，用于强化基体相和析出相。加入的固溶强化的难熔金属和铝、钛总量越多，使合金变性更加困难。,粉末冶金超高温合金，由于采用快速凝固雾,化法先制成高温合金粉末，再制成块体材料,因此可生产高合金化，成分和组织均匀的新,型高温合金。但由于涡轮盘之类的大型部,件，需要大型锻压设备，故多采用铸造超高,温合金，因为铸造超高温合金基本上可不需,要变形加工。,超高温合金特点,（,1,）有良好的室温和高温力学性能；,（,2,）还有熔点高、密度适中；,（,3,）耐腐蚀、良好的高温强度；,（,4,）有良好的抗疲劳性；,（,5,）但其高温抗氧化能力较差,2,。,研究内容,超高温合金是合金研究的一个重要方面，一般目,前广泛应用于航空航天以及核工业等领域作为耐高温部,件的一种替代材料，具有潜在的应用价值。铸造超高温,合金可分为镍基、,Nb-Si,硅化物基超高温合金、,Ti-Nb-Si,基超高温合金、钛基超高温合金等等。,Ni,基超高温合金,铸造镍基超高温合金再提高强度的同时塑性下降，蠕变断裂前延伸率低。这主要是由于蠕变裂纹沿晶界开始，基本是垂直于应力轴方向。定向凝固使合金获得结晶方向平与零件的应力轴的柱状晶，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，有利于提高蠕变寿命和塑性，改善零件的抗热冲击性能。定型铸造镍基超高温合金不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性，而且具有比原合金约高,5,倍的热疲劳性能，在先进航空发动机上获得广泛应用，其工作温度比普通镍基高温合金提高了,50,随着高温合金的不断发展，合金的持久性能和抗环境性能有明显增强，应有前景更加美好。,应用与航空发动机核工业燃气轮涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和机匣、燃烧室、加力燃烧时及尾喷口等部件,3,。,人们对能源、宇航、钢铁和化工等领域可在超高温环境下长时间使用的机械部件用结构材料的开发寄予很大希望。特别从环境保护和化石能源保护、减少二次,CO,产生和污染环境物质排放的观点看，追求火电热效率的提高、进一步提高燃气轮机的工作温度成为迫切的研究课题。但用于燃气轮机部件的,Ni,基超合金的耐热温度已基本达到极限，因此，研制耐热性和长期可靠性及持久性超过,Ni,基超合金的新型耐热材料很有必要。,Nb-Si,基超高温合金,日本于,1996,2001,年进行了高熔点,Nb,基固溶体合金和复合材料的研究，旨在研制进气温度达,1500,以上，无冷却使用的燃气轮机叶片材料，以提高燃气轮机的热效率。金属中,Nb,以高熔点、密度小、室温塑性好被作为新的研究对象。由于难熔金属硅化物，特别是铌一硅化合物基合金，在航空航天以及核工业等领域作为耐高温部件的替代材料具有潜在的应用价值，因此近年来受到广泛的关注,4,。它可作为新一代发动机叶片的替代材料，使用温度将达到,1250-1400,，比目前最先进的第四代镍基单晶高温合金的使用温度高出,200,左右,2,。,众所周知,作为高温下使用的结构材料,除具有,良好的室温和高温力学性能以外,还必须具备良好的抗氧化性能。然而,Nb-Si,系超高温结构材料氧化过程中生成的氧化膜不致密,存在严重的内氧化现象,氧化膜易剥落,抗氧化性能差。对于未来的工程应用,高温抗氧化性能仍然是,Nb-Si,系超高温结构材料走向实用化的一大障碍。为了使其在高温条件下应用，必须改善其高温抗氧化性能。到目前为止，人们研究过的能有效提高铌硅化物基超高温合金抗氧化性能的,途径有两种：,一种是合金化，另一种是表面涂层技术。由于可提高抗氧化性能的合金化元素在其含量过高后会降低合金的力学性能，因此合金化有其局限性。表面涂层技术被认为是兼顾铌硅化物基超高温合金力学性能和高温抗氧化性能的切实有效途径，因而受到越来越多的关注。,国内外已有的研究表明,5,：在合金表面制备含有稀土或其氧化物的涂层，可以改善涂层的致密性及其与基体的结合力，显著降低合金的氧化速率，提高氧化膜的抗剥落能力，从而改善合金的抗高温氧化性能。铌基合金高温防护涂层的研究始于,2O,世纪,5O,年代，到目前为止开发出涂层的概率寿命是：在,11OO,1200,下为几百小时，在,1500,1600V,下为几十分钟。,从目前的研究来看，铌基合金高温防护,涂层主要分为以下,5,个体系：耐热合金涂,层、贵金属涂层、陶瓷涂层、铝化物涂,层及硅化物涂层,1,。,应用,该材料还可用于火箭推进器、大推力发,动机的燃烧室及其防护罩等，在航空航天以,及核工业等领域作为耐高温部件的替代材料,具有潜在的应用价值，它可作为新一代发动,机叶片的替代材料，使用温度将达到,1250,1400,。,温合,Ti-Nb-Si,基超高金,铌硅化物基及钛硅化物基合金以其高熔点、高强度以及适中的密度等特性而有望成为应用于高温结构部件的材料。然而,Nb-Ti-Si,基合金的抗氧性较差,成为制约其应用的瓶颈。仅通过合金化的方法还不能彻底解决该类合金的抗氧化性问题,因为多元合金化后的,Nb-Ti-Si,基超高温合金在氧化后大都生成非保护性的氧化物如,TiO,2,TiNb,2,O,7,和,Ti,2,Nb,10,O,29,6,，制备抗氧化涂层是克服,Nb-Ti-Si,基合金抗氧化差的有效办法。包埋渗法作为一种扩散涂层的制备方法,已被成功应用于镍基高温合金,7,及钛合金,8,等材料抗氧化涂层的制备。为,Nb-Ti-Si,基合金制备抗氧化涂层还在试验阶段。,制备方法,Nb-Si,基合金的制备主要有非自耗电弧熔,炼、感应电渣熔炼,(ISM),、定向凝固,(DS),、熔,模铸造及粉末冶金等方法，每一种制备工艺,均产生与其对应的特殊形态的微观组织,和性能。,从商业角度来看，熔模铸造,Nb-Si,基合金近净成形部件具有巨大的潜力，因为这接近于目前的复杂叶片生产实践。然而，用于,Nb-Si,基合金叶片的熔模铸造技术还没有得到充分发展。另外，熔融,Nb-Si,基合金的活性限制了陶瓷基模壳系统的应用,9,由于定向凝固可获得综合性能较好的组织，具有近终成形及效率高等特点，是制备,Nb-Si,基合金材料的首选方法。以前的研究主要是采用水冷铜坩埚的,Czochralski,法来实现定向凝固，但由于温度梯度较低，所制备材料的组织粗大，定向效果差。近年来本课题组对该材料的无坩埚电子束区熔定向凝固进行了研究，但由于熔体的过热度低,(,据估计不会超过,100),，定向效果也不是很好。,为了获得更好的定向组织，一些人自行设计了超高温度梯度定向凝固设备，并拟在该设备上采用有坩埚的整体定向凝固技术 以制备超高温合金的定向凝固样件，为将来制备也平等具有复杂形状的部件进行前期准备和工艺探索,9,。,应用前景,目前,Nb-Si,基合金的基础研究工作还应该在强韧和抗氧化综合性能平衡上获得突破。由于含有大量金属间化合物,Nb5Si3,和,Cr2Nb,相的,Nb-Si,基合金对缺陷十分敏感，显微缺陷对合金材料综合性能特别是塑韧性的影响在一定程度上已超过了优化合金成分与组织的作用。因此,Nb-Si,基合金的制备加工工艺还应该获得极大的发展，以减少微观组织缺陷并获得均匀组织。以上是,Nb-Si,基合金下一步要重点发展的方向。超高温合金由于具有很高的抗热疲劳、机械疲劳、抗氧化及抗蠕变等性能，将越来越多的应用于工业生产及生活中，特别是航天航海。如下图：,图,1-1,神舟七号飞船推进器,图,1-2,航空发动机,发展趋势,目前我国的超高温合金研究水平与国外接近，但,是与发达国家相比无论在生产规模上，还是在发展,速度上仍存在较大差距。发展趋势：,1.,精简超高温合金的牌号，发展骨干超高温合金；,2.,合金设计的专家设计系统，指导新合金设计；,3.,强化低成本超高温合金及其制备技术；,4.,改善工艺，改善性能，扩大超高温合金的应用；,5.,开发超高温合金的先进制备技术和新产品,10,展望,虽然拥有丰富的资源，由于我国航空制造业不发达，民用飞机大量进口。美、俄、西欧等工业大国主要以航空市场为主，他们掌握着先进的尖端技术，占据着国际市场。从目前形势看，超高温合金发展有几个特点值得注意。,超高温合金企业竞争与兼并激烈，日趋国际化 随着东西方贸易往来增多，东西方市场融合，正在形成统一的世界市场，从而加剧了企业的竞争。企业为增强竞争实力，实行强求“强强”联合，出现了跨国改组与兼并，通过跨国改组与兼并的种种措施来增强自身的实力。,民航机用量迅速增长，超高温合金的市场好。,发展竞争力更强的超高温合金 发展方向是高性能化、多功能化、和低成本化。,积极培育新的超高温合金市场,10,。,1,姜传海，周健威，叶长青铌及铌合金的氧化行为机械工程材料，,2003,，,27(12),：,1,2,赵陆翔，郭喜平，姜嫄嫄,.,铌基合金包埋渗法制备抗氧化硅化物涂层及其组织形成中国有色金属学报,-2007,年,4,期,3,郑子樵,.,新材料概论,.2009.5,4,张小明日本,Nb,基超合金和复合材料研究新进展,.,稀有金属快报,-2005 2,期,5,齐涛，郭喜平,.,铌硅化物基合金,Si,Y2o3,共渗涂层的组织形成中国有色金属学报,-2009,年,10,期,参考文献,6,郭金明,郭喜平,宋曙光,.Nb-Ti-Si,基多元合金在,1250,下的氧化行为,J .,金属学报,-2008,44(5):574-578.,7,XIANGZD,DATTAPK.Deposition of silicon modified alumin-ide coatings on nickel base superalloys by pack cementationprocessJ .Materials Science and Technology,2003,19(7):935-942.,8 XIANGZD,ROSESR,BURNELL-GRAYJS,，,et al.Co-depo-sition of aluminide and silicide coatings on-TiAl by pack cemen-tation processJ .Journal of Materials Science,2003,38(1):19-28.,9,武兴君，郭喜平,.Nb,基超高温合金制备及定向凝固用坩埚的选择，材料导论,-2006,年,5,期,10,MITRA R.Microst ructure and mechanical behavior of reactionhot-pressed titanium silicide and titanium silicide-based alloys andcomposites J .Metallurgical and Materials Transactions A,1998,29A(6):1629-1641.,思考题,1,超高温合金涵义？,答：超高温合金一般是指在,1000,以上使用具有,高强度、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、抗蠕变、和,密度适中等性能的金属材料。,2,超高温合金按生产工艺分类可分为？,答：按生产工艺分为变形超高温合金、粉末冶金超高温合金和铸造超高温合金，而铸造超高温合金又经历了定向凝固超级合金、定向结晶合金、单晶合金、共晶合金和弥散强化超级合金等。,3,简述超高温合金特点？,答：（,1,）有良好的室温和高温力学性能；,（,2,）还有熔点高、密度适中；,（,3,）耐腐蚀、良好的高温强度；,（,4,）有良好的抗疲劳性；,（,5,）但其高温抗氧化能力较差,