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高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600°C以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料;并具有較高的高溫強(qiáng)度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織,在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。
基于上述性能特點(diǎn),且高溫合金的合金化程度較高,又被稱為“超合金",是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來(lái)分,高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750~780°C,對(duì)于在更高溫度下使用的耐熱部件,則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。鎳基高溫合金在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位,它廣泛地用來(lái)制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)最熱端部件。
高溫合金的生產(chǎn)工藝因產(chǎn)品種類繁多而各不相同,但總體來(lái)看,其主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)為熔煉、鑄錠、熱加工。生產(chǎn)工藝對(duì)高溫合金材料力學(xué)性能影響重大,一項(xiàng)新工藝的引入,往往使高溫合金的性能獲得一個(gè)飛躍。一批新型高溫合金的發(fā)展,往往推動(dòng)一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展,此外老型號(hào)的合金也可以通過(guò)改善工藝達(dá)到材料性能的提高。
熔煉是高溫合金生產(chǎn)過(guò)程中的重要一步。其技術(shù)方法與設(shè)備也在不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步中。目前,國(guó)內(nèi)外的熔煉方式有三種,包括單聯(lián)、雙聯(lián)和三聯(lián)工藝。熔煉的設(shè)備包括真空感應(yīng)爐、電渣爐、電子束爐、真空自耗爐以及等離子電弧爐等,使用比較廣泛的為真空感應(yīng)爐、真空自耗爐和電渣爐。
高溫合金生產(chǎn)的技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在三個(gè)方面,成分、設(shè)備與工藝。首先,成分直接決定熔煉結(jié)果及后續(xù)工序,這也是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的重要性所在。高溫合金一般會(huì)含有多種稀有金屬,這對(duì)后續(xù)產(chǎn)品加工的方法工藝提出了不同要求。可通過(guò)定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術(shù)提高材料的高溫強(qiáng)度,可采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度。總的來(lái)說(shuō),高溫合金的成分要求主要有三點(diǎn):材料純凈度、晶粒細(xì)化和均勻化、防止宏觀偏析。
第二,生產(chǎn)設(shè)備在高溫合金的生產(chǎn)工藝中也十分重要,設(shè)備對(duì)應(yīng)的加工條件影響最終材料的微觀結(jié)構(gòu),越是、先進(jìn)材料越是如此,對(duì)設(shè)備的操作熟練度也十分關(guān)鍵;高溫合金的生產(chǎn)設(shè)備眾多,如真空感應(yīng)爐、真空電弧爐、真空自耗爐、電渣爐、水壓機(jī)、精鍛機(jī)等,國(guó)內(nèi)外設(shè)備先進(jìn)程度存在不小差距。
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最后,工藝對(duì)高溫合金的性能影響逐漸加大。特別是在新興工藝方面,定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷過(guò)濾、等溫鍛造等新興工藝的研發(fā)對(duì)高溫合金性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
變形高溫合金主要通過(guò)真空冶煉、均勻化處理等工序制成渦輪盤和葉片毛坯。該種高溫合金生產(chǎn)工藝的核心在于以下兩點(diǎn),第一,提高純凈度,降低高溫合金中氣體、陶瓷夾雜物及有害元素的含量;第二,獲得均勻致密的內(nèi)部組織,消除或降低合金凝固時(shí)產(chǎn)生的疏松、孔洞、成分偏析等。能否達(dá)到上述兩點(diǎn)要求將成為變形高溫合金產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵。
高溫合金可以按基體組織材料劃分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。研發(fā)應(yīng)用中,現(xiàn)在一般按制備工藝劃分成鑄造高溫合金、變形高溫合金和其他幾類新型高溫合金,例如,粉末冶金高溫合金、彌散強(qiáng)化高溫合金ODS等。
變形高溫合金是指可以進(jìn)行冷、熱變形加工,工作溫度范圍-253~1320°C,具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)韌性指標(biāo),具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金,主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。