技术指南
超性能材料设计高机械强度和抗地表退化能力,高温为1200摄氏度(650摄氏度)或以上高抗生素、爬虫破解和疲劳强度综合好软强 强抗氧化热腐蚀并设计超合金在高温长期接触时保留这些属性
文章聚焦于老硬合金,这些合金最常用超级合金槽状材料可用热冷操作编译未在此讨论的是可提供增强性能的投影、粉末和氧化聚散增强超合金
第一代可硬化高温合金可追溯到1929年左右,当时多位开发商将和铝加到标准值80%镍丰抗线合金上。原创80A镍基超合金,开发于1940-1944年,但至今仍在使用中
很少努力推进原老硬合金直到1935-1944年,当时二战激发对改良合金的需求,这些合金可用于早期飞机燃气轮机Aloy开发活动在1950年代和1960年代爆炸,以跟上燃气轮机行业的需求超值开发的进展不仅使喷射引擎成为可能,而且允许推力对重量比在过去60年中持续提高
应用
超合金初级应用仍在飞机燃气轮机热段中,占先进引擎权重的50%以上。高温下这些素材的优异性能 已经扩展应用范围 远超出一产业
除航空航天工业外,这些合金还用于轮机制造海洋、工业、陆基发电和车辆应用使用超合金的具体引擎部件包括涡轮盘、刀片、压缩机轮子、井口、复式罐子、后燃件和引擎螺栓
除燃气轮机产业外,超合金常用用于火箭引擎、空间、石化/能源生产、内燃引擎、金属编组(热工工具死置)、热处理设备、核电堆和煤转换
虽然这些合金主要用于1000摄氏度以上(540摄氏度)服务,高强度特征和极佳环境抗药性使某些超合金成为低温应用的优选例子有医疗行业假肢装置和油气勘探行业深酸气井组件
化学组成
表1包含最常用老硬超礼服的标称组成这些合金含有镍、铁、钴和铬等各种组合,并分量较小其他元素,包括mlybdenum、ibium、tium和aluum微量增益元素如和,这些合金可能含有多达12种有意加法以上加法帮助传承并维护高温期望属性
许多其他元素,如硅、磷、硫、氧、氮和更多步态元素(如铅、二叉树和)必须严格控制在超合金中以避免对高温特性产生有害影响微小和漫游元素在熔化前的原材料选择期间以及在熔化/熔化过程期间均受控制
超合金可分类为镍基类、铁基类和钴基类镍基超合金(>50%Ni)最常用组表1中约一半合金被视为镍基合金,其余含大量加镍镍基对合金加法有高度耐受性,否则可能造成相位不稳定,导致强度下降、消滑性下降和/或环境抗药性下降
铁基超合金成本较低,但对合金加值不耐受性,机械性能较低,温度受限最大。实例例举CarTech合金A286并CARTECHNCF3015合金这些合金内含非不锈性钢基加镍、钛和铝以促老硬化Cartech合金706Cartech901合金镍和铁相似量并可被视为镍基超合金卡泰克901和卡泰克706合金的镍含量较高允许无不良效果加大加固元件
有一些钴基超合金,但成本高得多,通常无法老化硬化至高强度钴是镍基合金的重要合金补充物,因为它通过降低老化阶段的溶性来扩展最大温度使用CARTECHWASPOY并Cartech41合金CarTech720合金镍基合金加10-15%钴这些合金具有高温能力 常用老化可加固超合金
铬通常介于14-23重量百分比之间,是几乎所有超合金的关键合金补充和不锈钢一样,铬形成紧接式保护氧化薄膜2O级3)合金表面抗氧化和腐蚀高温和低温反腐蚀面层保护合金不受元素氧、氮和硫的有害影响
虽然大多数超合金含有至少14%铬,但在某些应用中,将热扩展最小化至关重要CartechCTX-909并Cartech热电波合金被视为低扩展超合金,低铬内装量以最小化镍-coblt-iron基抗氧化和热腐蚀减少,所以高温涂层常常在服务前应用909合金提供最小扩展系数,Cartech热-span合金(5.5%铬)提供增强环境抗药性
亚原子直径大等易碎元素通过加压镍/铁基矩阵提高高温强度和僵硬性Aloys 901和41含有大增法提高固化增强效果铬和铝等其他合金加法也有助于固化求解增强,但程度较小
元素钛、铝和加入镍或镍铁矩阵组成3级加热处理生成伽马素或伽马双素阶段下一节将更详细地讨论这个问题。
、和等元素可加到小于0.1%的水平上,但有益效果可能非常有效。这些因素分离并稳定粒子边界,大大提高热工作能力、高温强度和电容性微量加碳还可能添加成碳化物,限制高温接触期间的粒子生长和粒子边界滑动
老年加速
超礼服中主要的增强法是老化加固镍合金丰度通常会因伽马素和/或伽马双素降水二或三倍提高Ni3硬化阶段相位基础是镍铝化物3半元化,高达60%的铝可用或替换,这实际上增加合金强度
伽马素级相当独特,因为它的强度随温度增加达1200摄氏度(650摄氏度),相对疏松耐氧化Gamma素数沉淀像五环形矩阵老化时极精细或幼虫粒子
多数超合金使用富伽马素阶段令老化,而富变异物称为伽马双素数是某些超合金的主要增强阶段,如CarTech合金706Cartech718合金.富级提供更高强度达1200摄氏度(650摄氏度),但不稳定于1200摄氏度以上706和718合金温度限值比合金加固并富伽马素级值低伽马双素反应慢化 这些合金还倾向于更热易焊
热处理
适当的热处理对于实现可老化加固超合金所需性能水平至关紧要表2和表3列出了典型热处理合金初始解析热处理通常解析除原生碳化物和氮化相生成可老化超合金的典型范围为1650-2100摄氏度(900-1150摄氏度)1至4小时,继之以快速空气冷却或水、聚合物或油中的quench
选择解析处理时间和温度随合金及其相位单调温度而异,还取决于对预期应用最重要的具体属性高硬性内装物合金(ti、AL、Nb)要求高温解决热工作或冷却期间可能沉降的任何硬性相最佳抗和疲劳性能通常以较低的溶性温度获取,结果粒度更高相形之下,较好的长期压力和爬虫性能通常是通过高温解法处理实现的,结果粒度粗和拉伸增强度较低基于这些原因,通常会规定超合金两种或两种以上优先热处理法
在有些情况下,解决方案处理的另一个目标是形成二相理想分布式,如CarTech41合金和三角洲相位3NbCartech718合金求解处理后,用一个或多个老化处理来加速加固阶段并可能按期望量分配其他阶段和溶液处理一样,选择老化温度取决于合金和所期望性能组合
可老化超合金的老化范围为1150-1600摄氏度(620-870摄氏度)。时间老化从4小时到24小时不等双传处理法非常常见,以最大化强度并开发短期拉值和长期爬动性能最佳组合初级老化处理加速硬化相位分布并可能改善粒子边界上的碳化物类型和分布
二级年龄通常比初级老化温度低约200摄氏F,加速伽马素阶段细微扩散在某些高强度应用中,合金直接老化热冷工作而无中间解析法工作压力用来进一步加强抗拉和疲劳特性,并用爬动性能作一些牺牲
机械属性
设计工程师或材料描述符,审查定义适用机械特性的术语可能有用:
腾腾属性负载结构设计往往基于增产强度或在某些情况下基于物料终拉强度负强度度量材料在永久变形前可承受的最大压力耐用强度度量材料在断裂前可承受的最大压力高温抗冲性能最适用于高温短期接触克里普和压力破解特性更适用于较长接触
scrip和Rupture属性偏差和分解强度在材料必须长期承受高温和高压综合效果时变得重要高温下,金属会拉长或重力远低于增产强度超合金比低合金或不锈钢更耐爬虫作用,但仍会超过1000摄氏度(540摄氏度)。克里普属性度量合金对延展常量负载的抗药性压力破解或爬动性能是常量负载下抗骨折的度量两种属性均表示为压力或强度值,可引起一定量爬虫(0.1%)或一定时间分解(100至100万小时)。
表2和表3列出了在温度为1200-1600摄氏度(650-870摄氏度)时可老化超合金典型抗拉强度特性表2中还列出了室温增益强度图1和图2用图形显示这些属性应当指出,数据表示特定热处理近似名义强度值实际值可变化35%,原因是组成差异、热/冷工作实践和热处理
举例说 超级礼服像Cartech718并CARTECHWASPOY可能包含多目标组成大行业范围以优化特定应用属性高层次加固元素钛、铝和产生更高强度热或冷合金获取细粒度通常会提高拉伸增量,但会减压力
前文讨论过,所有可老化超合金的特性依赖热处理合金类CarTech X-750合金CarTechWasbaloy有两种或两种以上优先热处理方法(见表2)取决于应用是否需要更好的短期拉拉和疲劳性能或长时爬动和休克性能CarTechWaspaloy和CarTechX-750合金替代热处理实例显示,但阅读器应参考制造商数据表,以便更完整地列出其他超级合金替代热处理清单
其它属性 — — 抗冲和爬动是高温应用所考虑的最基本机械属性,设计标准还可能考虑抗疲劳(低高循环)、破解生长和穿破硬性热性测试有时被用作粗糙的增产强度和穿破度量法
阻塞和爬动是高温应用所考虑的最基本机械性能,设计标准也可能考虑抗疲劳(低高循环)、破解生长和穿穿硬性热性测试有时被用作粗糙的增产强度和穿破度量法
合金选择
简化法即木工选择系统可帮助设计师和工程师根据强度和最大温度需求选择最合适的超合金图3和图4包含本文章讨论的15项超合金选择式图故障强度(图3)或应变强度(图4)垂直增高Semaloy图和温度从左向右增高合金多次显示图中,因为合金对温度范围有用图可用估计值单合金强度随温度下降 并随不同合金强度在不同温度下比较
应当指出,合金定位于opsaloy图平均数强值表示构件和热处理常用合金相对位置向上或向下或向左或右移动,对组成、处理和热处理略作修改温度限制应被视为近似值semaloy图是筛选候选合金的有用工具,但不能替代对拟应用关键属性进行更详细的评价
CarTechA286合金在属性和成本方面最基本可老化超合金CarTechA286提供最小强度水平,但仍比非硬性不锈合金高二倍当需要加强度或温度抗药性时,通常优先使用更高的镍合金最大强度和温度抗药性合金通常含有最高合金内含量和高富钴下一节将讨论这些合金相对成本
合金在属性和成本方面最基本可老化超合金A-286提供最小强度水平,但仍比非硬性不锈合金高二倍当需要加强度或温度抗药性时,通常优先使用更高的镍合金最大强度和温度抗药性合金通常含有最高合金内含量和高富钴下一节将讨论这些合金相对成本
Propertealoy图本提供一种方法比较常用老化超合金基本强度和温度限制然而,合金选择无疑取决于许多其他因素,包括其他物理和机械特性以及环境阻抗和成本举个例子Cartech热电波并CartechCTX-909合金在加热期间提供低得多扩展的好处,但牺牲非包装条件中的氧化和腐蚀抗药性Cartech31V并Cartech751合金提供相似强度和温度抗药性,但高铬含量31V合金可大大增强对硫化和其他形式的热腐蚀的抗药性
合金成本
从用户的角度来看,合金选择必须基于预期成本效益
在当今竞争型全球环境中,超标较不常见趋势是选择最低成本材料满足设计需求高成本合金可以证明合理性,以最小化整体生命周期费用或系统某些部件使用期较长,系统关键或太贵无法关闭维护诚然,了解合金能力对最佳决策至关重要
温度和强度需求增高 所需合金内容也增高图5比较14合金使用CarTechA286合金基数(成本系数1.0)的相对合金成本成本因子基于市场价内含合金元成本10年平均值高温强度和抗药性通常需要更高的镍和钴内装物镍和钴价格历来起伏不定,高低价格差4比5近两年来 物价上升近十倍
上文讨论过,图5中成本因子仅基于原材料元成本(10年平均值),并随时间大幅波动。熔化、工作和其他处理成本的差异可能相当大,但没有包括在这些因素中。处理产量和特定端用户需求(粒度测试超声波测试等)成本比较是有用的,因为合金成本通常占超合金产品成本的一大部分。高温强度和抗变形性特效处理难度和成本随热强度和最大温度能力而增加
图6显示1200-1500摄氏度(650-815摄氏度)与原材料成本因子的关系很明显,提供更高强度、温度抗药性和/或专用属性的合金成本更高,这强化合金选择过程的重要性。
