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鎳基高溫合金的發展與應用
發動機技術的發展與高溫合金的發展有關。1929年,美國的Meric、Bedford和Pilling等在80鎳-20鉻合金中溶入少量的鈦和鋁,提高了合金的蠕變強度,但這并未引起人們的注意。1937年德國Hansvonohain渦輪氣發動機Heinkel問世,兩年后,英國也研制出Whittle渦輪噴氣發電機。然而,噴氣發電機熱端部件對材料的高溫性能和機械性能都有很高的要求。1939、英國Mond鎳公司首先研制成低碳和含鈦鎳合金nimonic75,準備用作惠特爾發動機渦輪葉片,很快,Nimonic80合金問世,其性能更優越,由于該合金含鋁和鈦,因而蠕變性能比Nimonic75至少高出50℃。
鎳基高溫合金的發展包括兩個方而:成分的設計和工藝的革新。40年代初,真空熔煉技術的開始初步運用;在50年代后期,采用熔模鑄造工藝,開發了一系列具有良好的高溫強度的鑄造合金;60年代中期,發展出了性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金;為了順應艦船和工業燃氣輪機等工作的需要,六十年代,研制出一批抗熱腐蝕性、組織穩定的高鉻鎳基合金。在這四十年中,鎳基合金的使用溫度從700℃增加到1100℃,平均每年增加約10℃。
鎳基高溫合金,特別是鎳基單晶高溫合金,已廣泛應用于先進的燃氣輪機葉片和導向葉片。這種合金是由于γ'相的析出得以強化,Ni3Al富鎳γ'L12結構相干相位。其優異的力學性能取決于基體中的高體積分數和細分散性,以及在基體中的溶液強化元素(稀土、鉻、鉬、鎢、鉬、鉻、鉬、鉻、鉬、鉻)的含量。因此,對于高溫合金組織穩定性是關鍵問題。γ'相粒子粗化對合金有害。對多晶鎳基高溫合金,u-700持久壽命,是由約50%的預期壽命由于σ相形成而減少。田等人研究發現,由于的難熔元素的消耗,沉淀的μ階段會明顯降低抗蠕變性能和高溫合金的持久壽命。
采用定向凝固工藝消除所有晶界的合金稱為單晶高溫合金,單晶高溫合金最主要的用途是制作先進航空發動機的渦輪葉片和導向葉片,或空心渦輪葉片和導向葉片與復雜的腔,和整個葉片是一個單一的晶體。DD6單晶合金是鎳基單晶高溫合金的第二代,具有鑄造性能好、耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度、綜合性能好。與第一代單晶合金相比,其耐溫能力提高約30℃-60℃。廣泛應用于發動機渦輪葉片。
DD6單晶合金與以前的鎳基高溫合金不同之處在于:DD6單晶合金中添加了能提高單晶壽命和強度的錸元素、鉭元素和少量的鉿元素。鉭可以增大γ/γ'錯配度、強化γ'相和提高其高溫穩定性;少量的鉿、碳和鎬元素,可以提高單晶合金小角度晶界的強度,錸元素顯著影響單晶合金的持久性能:適量的錸能提高單晶合金的持久壽命;而過量的錸則會降低合金的穩定性,減少合金的持久壽命。