高溫合金

    高溫合金是在600-1200℃高溫下能承受一定應力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式有固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型和纖維強化型等。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業用燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發動機、核反應堆、石油化工設備以及煤的轉化等能源轉換裝置。
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。
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。
晶界強化
　　在高溫下，合金的晶界是薄弱環節，加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強度。這是因為稀土元素能凈化晶界，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過程中晶界擴散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促進晶界第二相球化。另外，鑄造合金中加適量的鉿，也能改善晶界的強度和塑性。還可通過熱處理在晶界形成鏈狀分布的碳化物或造成彎曲晶界，提高塑性和強度。
氧化物彌散強化
　　通過粉末冶金方法，在合金中加入高溫下仍保持穩定的細小氧化物，呈彌散分布狀態，從而獲得顯著的強化效應。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。這些氧化物是通過阻礙位錯運動和穩定位錯亞結構等因素而使合金得到強化的。
制造工藝
　　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。
　　合金化程度較高、不易變形的合金，目前廣泛采用精密鑄造成型，例如鑄造渦輪葉片和導向葉片。為了減少或消除鑄造合金中垂直于應力軸的晶界和減少或消除疏松，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，為了消除全部晶界，還需研究單晶葉片的制造工藝。
　　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。
　　綜合處理高溫合金的性能同合金的組織有密切關系，而組織是受金屬熱處理控制的。高溫合金一般需經過熱處理。沉淀強化型合金通常經過固溶處理和時效處理。固溶強化型合金只經過固溶處理。有些合金在時效處理前還要經過一兩次中間處理。固溶處理首先是為了使第二相溶入合金基體，以便在時效處理時使γ、碳化物（鈷基合金）等強化相均勻析出，其次是為了獲得適宜的晶粒度以保證高溫蠕變和持久性能。
　　固溶處理溫度一般為1040～1220℃。目前廣泛應用的合金，在時效處理前多經過1050～1100℃中間處理。中間處理的主要作用是在晶界析出碳化物和γ膜以改善晶界狀態，與此同時有的合金還析出一些顆粒較大的γ相與時效處理時析出的細小γ相形成合理搭配。時效處理的目的是使過飽和固溶體均勻析出γ相或碳化物(鈷基合金)以提高高溫強度，時效處理溫度一般為700～1000℃。
發展趨勢
　　高溫合金發展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結晶葉片的綜合性能將得到改進。
　　此外，有可能采用激冷態合金粉末制造多層擴散連接的空心葉片，從而適應提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護涂層材料和工藝也將獲得進一步發展。
物質應用
　　高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料；并具有較高的高溫強度，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定性和使用可靠性，基于上述性能特點，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”，是廣泛應用于航空、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到750~780℃，對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高溫合金領域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機最熱端部件。若以150MPA-100H持久強度為標準，而目前鎳合金所能承受的最高溫度〉1100℃，而鎳合金約為950℃，鐵基的合金〈850℃,即鎳基合金相應地高出150℃至250℃左右。所以人們稱鎳合金為發動機的心臟。目前，在先進的發動機上，鎳合金已占總重量的一半，不僅渦輪葉片及燃燒室，而且渦輪盤甚至后幾級壓氣機葉片也開始使用鎳合金。與鐵合金相比，鎳合金的優點是：工作溫度較高，組織穩定、有害相少及抗氧化搞腐蝕能力大。與鈷合金相比，鎳合金能在較高溫度與應力下工作，尤其是在動葉片場合。
　　鎳合金具有上述優點與其本身的某些卓越性能有關。鎳為面心立方體，組織非常穩定，從室溫到高溫不發生同素異型轉變；這對選作基體材料十分重要。眾所周知，奧氏體組織比鐵素體組織具有一系列的優點。
　　鎳具有高的化學穩定性，在500度以下幾乎不發生氧化，學溫下也不受溫氣、水及某些鹽類水溶液的作用。鎳在硫酸及鹽酸中溶解很慢，而在硝酸中溶解很快。
　　鎳具有很大的合金能力，甚至添加十余種合金元素也不出現有害相，這就為改善鎳的各種性能提供潛在的可能性。
　　純鎳的力學性能雖不強，但塑性卻極好，尤其是低溫下塑性變化不大。