高溫合金的發展動力直接來自于燃氣渦輪發動機,特別是航空領域渦輪發動機推力和效率日益增長、工作溫度不斷提高的需要。高溫合金的發展過程大致經歷了三個階段,使得合金的承溫能力每年大約提高10℃,如圖1-1所示。



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 早在20世紀初期,人們就已發現向鎳-鉻基體中加人少量的鋁或鈦,能產生顯著的蠕變強化效果。這一發現以及同期出現的渦輪發動機一起拉開了對高溫合金研制與應用的序幕。在隨后的20年里,通過成分的不斷調整,高溫合金中主要強化相y'相固溶溫度和數量不斷提高,合金強度達到了較高水平。通過權衡(鋁+鈦)與鉻的相對含量,保證了強度與耐熱腐蝕性能間的平衡。首先是鉬,隨后是鎢、鈮等難熔金屬元素的加入,帶來了顯著的固溶強化與碳化物強化效應,再通過硼、鉻、鉿等微合金化改善晶界。然而,伴隨著強度的提高,高溫合金又面臨新的嚴峻挑戰:如低延性和有害相(如已知的σ相、μ相、Laves相等)的析出等。


 20世紀50年代出現的真空熔煉技術和精密鑄造工藝使高溫合金進入了第二個蓬勃發展時期。這些技術的應用進一步提高了高溫合金的合金化程度,消除或降低了有害的雜質元素和氣體含量,可以精確控制合金的化學成分,生產出復雜形狀的鑄件。因此,一大批性能更為優越、生產效率更高的鑄造合金開始取代變形的鍛造合金成為復雜形狀熱端部件的主要制造材料。隨后,定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化、快速凝固、陶瓷過濾、等溫鍛造等新技術、新工藝的發展和應用,使高溫合金進入了一個工藝發展的新時代。工藝進步對材料耐溫能力提高的貢獻如圖1-2所示,其中,定向凝固工藝所起的作用尤為重要,使用溫度接近合金熔點80%~90%的第三代鎳基單晶合金代表了目前鑄造高溫合金的高水平。



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 鎳元素具有獨特的原子結構和穩定的晶體結構,室溫直至熔點的溫度范圍始終保持FCC結構不變,同時,鎳對許多合金元素具有較強的固溶能力,可以進行充分的合金化,因此鎳具有作為高溫合金基體元素的優越內在屬性。尤其是鎳基高溫合金中,可以析出L12結構的γ'相,這是鎳基高溫合金中最有效的強化方式,保證了鎳基高溫合金優良的綜合性能。因此,鎳基高溫合金是在航空發動機及地面和海洋用燃氣輪機中應用最為廣泛的高溫材料。與國外各期的同類合金相比,我國合金雖然出現較晚,但各項性能與國外合金是基本相當的(見圖1-3)。


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 高溫合金是非常有生命力和發展前途的未來材料,而且它正在進入“工藝時期”的第二個時代,其主要的發展趨勢包括以下幾個方面:


(1). 用錸作為合金化元素以最大限度地提高高溫合金的高溫蠕變強度。


(2). 含一定量鉿、鑭及釔(提高氧化抗力)的無涂層合金的開發。


(3). 更廣泛地應用定向凝固和單晶渦輪葉片及導向葉片鑄件。


(4). 提高渦輪盤合金潔凈程度以便最大限度減少渦輪盤合金的固有內部缺陷。


(5). 更廣泛地應用等溫鍛造以使渦輪盤中獲得均勻尺寸的晶粒。


(6). 更廣泛地應用預合金化粉末進行生產的渦輪盤合金。


(7). 更廣泛地應用熱等靜壓致密化的細晶鑄造渦輪機葉輪。


(8). 廣泛地發展和應用混合部件,這種混合部件是利用擴散聯結方法,將兩個或更多種零件連接在一起形成整體合金部件。


 由于陶瓷和金屬間化合物首先在短壽命發動機上獲得了特殊的應用,因此這些材料的競爭將變得更加激烈。盡管在一些特殊的領域不斷有新材料涌現,但鎳基高溫合金仍將是燃氣輪機行業的主要的材料。這是由于它們具有良好的適應性和可修復性,即采用鑄造、鍛造和粉末冶金工藝可以制造出各種尺寸的燃氣輪機部件。