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(2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼。碳含量一般在0.1%左右,為改進鑄造性能鑄造鋼的碳含量大于0.1%;他點的控制是本鋼設計的關鍵,這類鋼在固溶處理后為奧氏體組織,在此狀態下進行加工、成形、焊接。在調整處理(碳化物析出過程)后馬氏體點升高,降到室溫后為馬氏體組織或再通過簡單的低溫處理(-72℃)后轉變成馬氏體(即馬氏體點在-72℃以上);鉻含量一般在14%以上,以保證良好的不銹性和耐蝕性;選擇合適的鉻、鎳當量配比以降低鋼中δ-鐵素體的含量;鋼中含有適量沉淀硬化元素。如鉬、鈦、鋁、鈮、銅等。有時鋼中含鈷,這一方面可以促進鉬的強化作用,同時又不影響Ms點。
圖1 0Cr17Ni7TiAl鋼的熱處理工藝
圖2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的熱處理工藝
(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼。選擇合適的鉻、鎳當量配比,使其形成非常穩定的奧氏體組織;為了彌補奧
半奧氏體沉淀硬化不銹鋼熱處理工藝
氏體強度的不足,通過加入鋁、鈦以形成Ni3Al、Ni3Ti,或加入磷形成M23(C+P)6而進行強化。
熱處理工藝 (1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼。以OCrl7NiTiAl(Stainless W)和OCrl7Ni4Cu4Nb為例,其熱處理工藝如圖1和圖2所示。
(2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼。以0Cr15Ni7Mo2Al為例
(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼。以0Cr15Ni25Ti2MoAlVB為例其熱處理工藝
圖1 0Cr17Ni7TiAl鋼的熱處理工藝
圖2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的熱處理工藝
(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼。選擇合適的鉻、鎳當量配比,使其形成非常穩定的奧氏體組織;為了彌補奧
半奧氏體沉淀硬化不銹鋼熱處理工藝
氏體強度的不足,通過加入鋁、鈦以形成Ni3Al、Ni3Ti,或加入磷形成M23(C+P)6而進行強化。
熱處理工藝 (1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼。以OCrl7NiTiAl(Stainless W)和OCrl7Ni4Cu4Nb為例,其熱處理工藝如圖1和圖2所示。
(2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼。以0Cr15Ni7Mo2Al為例
(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼。以0Cr15Ni25Ti2MoAlVB為例其熱處理工藝
1、鑄造冶金工藝
目前各種先進鑄件制造技術和加工設備在不斷開發和完善,如熱控凝固、細晶工藝、激光成形修復技術、耐磨鑄件鑄造技術等,原有技術水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產品的質量一致性和可靠性。
不含或少含鋁、鈦的高溫合金,一般采用電弧爐或非真空感應爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時,元素燒損不易控制,氣體和夾雜物進入較多,所以應采用真空冶煉。為了進一步降低夾雜物的含量,改善夾雜物的分布狀態和鑄錠的結晶組織,可采用冶煉和二次重熔相結合的雙聯工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應爐和非真空感應爐;重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。
固溶強化型合金和含鋁、鈦低(鋁和鈦的總量約小于4.5%)的合金錠可采用鍛造開坯;含鋁、鈦高的合金一般要采用擠壓或軋制開坯,然后熱軋成材,有些產品需進一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造。
2、結晶冶金工藝
為了減少或鑄造合金中垂直于應力軸的晶界和減少或疏松,近年來又發展出定向結晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結晶方向生長,以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實現定向結晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立并保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件。此外,為了全部晶界,還需研究單晶葉片的制造工藝。
3、粉末冶金工藝
粉末冶金工藝,主要用以生產沉淀強化型和氧化物彌散強化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。
4、強度提高工藝
⑴固溶強化
加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變,加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素(如鈷)和加入能減緩基體元素擴散速率的元素(鎢、鉬等),以強化基體。
⑵ 沉淀強化
通過時效處理,從過飽和固溶體中析出第二相(γ’、γ"、碳化物等),以強化合金。γ‘相與基體相同,均為面心立方結構,點陣常數與基體相近,并與晶體共格,因此γ相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出,阻礙位錯運動,而產生顯著的強化作用。γ’相是A3B型金屬間化合物,A代表鎳、鈷,B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢,而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ‘相為Ni3(Al,Ti)。γ’相的強化效應可通過以下途徑得到加強:
①增加γ‘相的數量;
②使γ’相與基體有適宜的錯配度,以獲得共格畸變的強化效應;
③加入鈮、鉭等元素增大γ’相的反相疇界能,以提高其抵抗位錯切割的能力;
④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ‘相的強度。γ"相為體心四方結構,其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯配度較大,能引起較大程度的共格畸變,使合金獲得很高的屈服強度。但超過700℃,強化效應便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ相,而用碳化物強化。
目前各種先進鑄件制造技術和加工設備在不斷開發和完善,如熱控凝固、細晶工藝、激光成形修復技術、耐磨鑄件鑄造技術等,原有技術水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產品的質量一致性和可靠性。
不含或少含鋁、鈦的高溫合金,一般采用電弧爐或非真空感應爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時,元素燒損不易控制,氣體和夾雜物進入較多,所以應采用真空冶煉。為了進一步降低夾雜物的含量,改善夾雜物的分布狀態和鑄錠的結晶組織,可采用冶煉和二次重熔相結合的雙聯工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應爐和非真空感應爐;重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。
固溶強化型合金和含鋁、鈦低(鋁和鈦的總量約小于4.5%)的合金錠可采用鍛造開坯;含鋁、鈦高的合金一般要采用擠壓或軋制開坯,然后熱軋成材,有些產品需進一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造。
2、結晶冶金工藝
為了減少或鑄造合金中垂直于應力軸的晶界和減少或疏松,近年來又發展出定向結晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結晶方向生長,以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實現定向結晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立并保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件。此外,為了全部晶界,還需研究單晶葉片的制造工藝。
3、粉末冶金工藝
粉末冶金工藝,主要用以生產沉淀強化型和氧化物彌散強化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。
4、強度提高工藝
⑴固溶強化
加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變,加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素(如鈷)和加入能減緩基體元素擴散速率的元素(鎢、鉬等),以強化基體。
⑵ 沉淀強化
通過時效處理,從過飽和固溶體中析出第二相(γ’、γ"、碳化物等),以強化合金。γ‘相與基體相同,均為面心立方結構,點陣常數與基體相近,并與晶體共格,因此γ相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出,阻礙位錯運動,而產生顯著的強化作用。γ’相是A3B型金屬間化合物,A代表鎳、鈷,B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢,而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ‘相為Ni3(Al,Ti)。γ’相的強化效應可通過以下途徑得到加強:
①增加γ‘相的數量;
②使γ’相與基體有適宜的錯配度,以獲得共格畸變的強化效應;
③加入鈮、鉭等元素增大γ’相的反相疇界能,以提高其抵抗位錯切割的能力;
④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ‘相的強度。γ"相為體心四方結構,其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯配度較大,能引起較大程度的共格畸變,使合金獲得很高的屈服強度。但超過700℃,強化效應便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ相,而用碳化物強化。
1、航空航天領域
我國發展自主航空航天產業研制先進發動機,將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。
航空發動機被稱為“工業之花”,是航空工業中技術含量、難度的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發動機,特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結構材料中的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前,在先進的航空發動機中,高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料用量占發動機總量的40%~60%。在航空發動機上,高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦 四大熱段零部件;此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領域
高溫合金在能源領域中有著廣泛的應用。煤電用高參數超超臨界發電鍋爐中,過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好,在蒸汽側抗氧化性能和在煙氣側抗腐蝕性能優異的高溫合金管材;在氣電用燃氣輪機中,渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優良和長期組織穩定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領域中,蒸汽發生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節能減排領域,廣泛采用抗高溫熱腐蝕和抗高溫磨蝕性能優異的高溫合金;在石油和天然氣開采,特別是深井開采中,鉆具處于4-150 ℃的酸性環境中,加之CO2,H2S和泥沙等的存在,必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5] 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備制造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高,拉動了對發電設備用的渦 的需求。正在進行國產化研制的新一代發電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展,實現量產后將帶動對高溫合金的需求。同時,核電設備的國產化,也將拉動對國產高溫合金的需求。
我國發展自主航空航天產業研制先進發動機,將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。
航空發動機被稱為“工業之花”,是航空工業中技術含量、難度的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發動機,特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結構材料中的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前,在先進的航空發動機中,高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料用量占發動機總量的40%~60%。在航空發動機上,高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦 四大熱段零部件;此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領域
高溫合金在能源領域中有著廣泛的應用。煤電用高參數超超臨界發電鍋爐中,過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好,在蒸汽側抗氧化性能和在煙氣側抗腐蝕性能優異的高溫合金管材;在氣電用燃氣輪機中,渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優良和長期組織穩定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領域中,蒸汽發生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節能減排領域,廣泛采用抗高溫熱腐蝕和抗高溫磨蝕性能優異的高溫合金;在石油和天然氣開采,特別是深井開采中,鉆具處于4-150 ℃的酸性環境中,加之CO2,H2S和泥沙等的存在,必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5] 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備制造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高,拉動了對發電設備用的渦 的需求。正在進行國產化研制的新一代發電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展,實現量產后將帶動對高溫合金的需求。同時,核電設備的國產化,也將拉動對國產高溫合金的需求。
1、含錸單晶葉片的研究
在單晶的成分設計中,要兼顧合金性能和工藝性能,由于單晶中不存在晶界,并應用在較為苛刻的環境下,所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發展,合金的化學成分具有如下變化趨勢:引入Re元素,引入Ru、Ir等鉑族元素,增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量;難熔元素的加入總量增加,C、B、Hf等元素從“完全去除”轉為“限量使用”;降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩定。
含錸單晶葉片大幅了其耐溫能力及蠕變強度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4,GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與代單晶合金相比,通過加入3%的錸元素、適當增大了鈷和鉬元素的含量,使其工作溫度提高了30℃,持久強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。
含錸單晶葉片是未來航空發動機渦輪葉片的趨勢。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高,從而很快得到了航空燃氣渦輪發動機界的普遍認可,幾乎所有先進航空發動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片 [6] 。