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高溫合金管應具有高的蠕變強度和持久強度(見蠕變)、良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能(見疲勞)、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能以及組織穩(wěn)定,其中以蠕變強度和持久強度為重要。提高高溫合金強度的途徑有:
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(見合金相)。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。
晶界強化 在高溫下,合金的晶界是薄弱環(huán)節(jié)(見界面),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(wěn)定的細小氧化物,呈彌散分布狀態(tài),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(wěn)定位錯亞結構等因素而使合金得到強化的。
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高溫合金管國內發(fā)展
自1956年爐高溫合金GH3030試煉成功,迄今為止,我國高溫合金的研究、生產和應用已歷經60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個階段。
個階段:從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯高溫合金為主體的合金系列,如:GH4033,GH4049,GH2036,GH3030,K401和K403等。
第二個階段:從20世紀70年代中至90年代中期,是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號的發(fā)動機,提高高溫合金生產工藝技術和產品質量控制。
第三階段:從20世紀90年代中至今,是我國高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應用和開發(fā)了一批新工藝,研制和生產了一系列高性能、次的新合金。
在此基礎上,我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力,生產的能力等一系列的綜合服務體系。
性能:高溫合金中的鈷基高溫合金中碳化物的熱穩(wěn)定性較好。溫度上升時﹐碳化物集聚長大速度比鎳基合金中的γ 相長大速度要慢﹐重新回溶于基體的溫度也較高(高可達1100℃)﹐因此在溫度上升時﹐鈷基合金的強度下降一般比較緩慢。
鈷基合金有很好的抗熱腐蝕性能,一般認為,鈷基合金在這方面優(yōu)于鎳基合金的原因,是鈷的硫化物熔點(如Co-Co4S3共晶,877℃)比鎳的硫化物熔點(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高,并且硫在鈷中的擴散率比在鎳中低得多。而且由于大多數鈷基合金含鉻量比鎳基合金高,所以在合金表面能形成抵抗堿金屬硫酸鹽(如Na2SO4腐蝕的Cr2O3保護層)。但鈷基高溫合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。
生產工藝:早期的鈷基合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產。后來研制成的合金,因含有較多的活性元素鋯、硼等,用真空冶煉和真空鑄造生產。
鈷基高溫合金中的碳化物顆粒的大小和分布以及晶粒尺寸對鑄造工藝很敏感,為使鑄造鈷基合金部件達到所要求的持久強度和熱疲勞性能,必須控制鑄造工藝參數。鈷基高溫合金需進行熱處理,主要是控制碳化物的析出。對鑄造鈷基高溫合金而言,首先進行高溫固溶處理,溫度通常為1150℃左右,使所有的一次碳化物,包括部分MC型碳化物溶入固溶體;然后再在870-980℃進行時效處理,使碳化物(常見的為M23C6)重新析出。
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