(2) 低膨胀高温合金:这类合金在一个很宽的温度范围具有很低的热膨胀系数,可以精确控制涡轮的直径与外环之间的间隙,对提高效率、节省燃料和改善发动机性能有重要作用,如GH2903、GH2907和GH2909等。
(3) 高屈服强度高温合金:在这种合金的使用温度范围内,屈服强度要比一般的高温合金高,主要适用于制作航空发动机涡轮盘,如GH2761等。
(4) 抗松弛合金:这类合金有突出的抗松弛性能,适于制作航空发动机紧固件,如GH4141、GH2135和GH2132等。
1.2.5 按合金用途分类
(1) 涡轮叶片用高温合金:这类合金具有良好的综合性能,主要用于制备航空发动机和各种工业用燃气轮机的涡轮叶片,如DZ417G、K417、GH4710和DZ422B等。
(2) 涡轮导向叶片用高温合金:这类高温合金的突出特点是初融温度较高,抗冷热疲劳性能优异,抗氧化腐蚀性能良好,适于制作航空发动机和各种工业燃气轮机的导叶片,如K452、K423A和DZ640M。
(3) 燃烧室用高温合金:这类合金工艺塑性良好,可以制成板材,然后制成燃烧室中的火焰筒等零部件,如GH3044、GH3030和GH3039等。
1.3 镍基高温合金
1.3.1 镍基高温合金的概述
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%)、在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金[4]。由于镍的氧化物不具有防护性能,因为必须加入一定数量的Cr元素以便在零件表面形成防护性好的Cr2O3为主要的氧化膜,所以镍基合金实际上已Ni-Cr二元系为基体,加入固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素进行充分强化。为满足1000℃左右高温热强性和抗腐蚀的要求,加入W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等大量的强化元素,从而保证镍基高温合金的优越高温性能。除具有固溶强化的作用之外,高温合金同样依靠Al、Ti等与Ni形成金属间化合物γ’相的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。镍基高温合金具有良好的综合性能,目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘,研究人员对其使用性能提出了更高的要求,国内外学者以开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等[5]。镍基高温合金的发展趋势如图1.2所示:
1.2 镍基高温合金的发展趋势
1.3.2 镍基高温合金的特点
(1) 成分特点:镍基合金的基体以Ni-Cr二元系为基,用Co、W、Mo、Ta、Nb、Hf等多种稀贵元素进行固溶强化;加入较多的Al、Ti从而形成了γ’相沉淀强化;加入C、B和Zr或多种微合金化元素进行综合晶界强化。
(2) 微观组织特点:沉淀强化相γ’相数量多、共格且稳定;组织稳定性较好,可以使用大量的合金元素进行合金化。
(3) 高温力学性能特点:由于固溶强化元素种类多,因此镍基高温合金含量大;沉淀强化元素Al+Ti含量高;以及多种微量元素的综合强化,镍基高温合金的高温强度要好于铁基的高温合金。尤其是在800℃以上,铁基高温合金根本无法与镍基高温合金相比。根据研究表明[9],不同强度水平的镍基高温合金的持久强度和拉伸性能,除Nimonic80A和Nimonic90两个低强化水平的合金外,其他合金在760℃以上都优于铁基高温合金Incoloy901和GH2302.Incoloy901是西方国家力学性能良好的铁基高温合金,而GH2302是中国发展的强度优异的铁基高温合金。所以中温性能良好的铁基高温合金只适于制作800℃以上使用的涡轮叶片等零件[1]。因此,镍基高温合金的高温力学性能良好。
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