耐熱合金又稱高溫合金，是在高溫使用環境條件下，具有組織穩定和優良力學、物理、化學性能的合金。包括耐熱鋼、耐熱鋁合金、耐熱鈦合金、高溫合金、難熔合金等。耐熱合金在高溫下具有一定拉伸、蠕變、疲勞性能、物理、化學性能和工藝性能。
基本介紹
- 中文名：耐熱合金
- 外文名：heat resistant alloy
- 別名：高溫合金
- 元素分類：鐵基、鎳基、鈷基、粉末冶金
- 強化分類：固溶、沉澱、彌散、纖維強化
- 領域：金屬材料
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簡介
耐熱合金是指在高溫下具有高的抗氧化性、抗蠕變性與持久強度的合金，也叫高溫合金。隨著現代科學技術(特別是航空、火箭等)的發展，金屬材料或製品的工作溫度不斷提高。在高溫合金的領域內，大量使用的主要是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。從合金晶體結構的強度觀點出發，高溫強化的3個基本特點：
(1)提高位錯在滑移界面運動的阻力，即增加滑移式變形機構的形變抗力。
(2)減緩位錯的擴散型運動過程，以抑制擴散型形變機構的進行。
(3)改善晶體結構狀態，以增加晶界強化作用;或是取消晶界，以消除晶界在高溫時的薄弱環節。
近幾十年來，已研製出一系列高溫合金，其使用溫度由650℃提高到1100℃左右。高溫合金是廣泛套用於航空、航天、船舶、發電、動力、機車及石油和化學工業中關鍵部位的材料。
耐熱合金分類
按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、鈷基高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式有固溶強化型、沉澱強化型、氧化物彌散強化型和纖維強化型等。高溫合金主要用於製造航空、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;還用於製造航天飛行器、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。高溫合金應具有高的蠕變強度和持久強度、良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能、良好的抗氧化和抗燃氣腐 蝕性能以及組織穩定，其中以蠕變強度和持久強度最為重要。
耐熱冶金製作工藝
不含或少含鋁、鈦的高溫合金， 一般採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，所以應採用真空冶煉。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，可採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(鋁和鈦的總量約小於4.5%)的合金錠可採用鍛造開坯；含鋁、鈦高的合金一般要採用擠壓或軋制開坯，然後熱軋成材，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，目前廣泛採用精密鑄造成型，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於應力軸的晶界和減少或消除疏鬆，近年來又發展出了定向結晶工藝。此外，為了消除全部晶界，近年來還研究出了單晶葉片的製造工藝。
鋁銅鋰耐熱合金
鋁銅鋰耐熱合金是在高強硬鋁合金的基礎上以鋰代替鎂發展起來的鋁鋰系合金。具有密度小、彈性模量大、強度高和耐熱性能好等特點，其典型合金有美國的2020合金、前蘇聯的BAД23合金和中國的S141合金。
其成分及組織合金的化學成分列於表1。它們可熱處理強化，固溶淬火後時效沉澱序列為：
表1 鋁銅鋰耐熱合金的化學成分(%)
牌 號 | 主 要 元 素 | 雜質≤ | Al | ||||||
Cu | Li | Mn | Cd | Ti | Fe | Si | Ti | ||
2020 BAД23 | 4.0～5.0 4.9～5.8 | 0.9～1.7 1.0～1.4 | 0.8～1.3 0.4～0.8 | 0.1～0.35 0.1～0.3 | 0.4 0.3 | 0.4 0.3 | 0.1 0.15 | 餘量 餘量 | |
S141 | 3.9～4.5 | 0.8～1.2 | 0.5～0.9 | 0.15～0.25 | 0.05～0.15 | 0.3 | 0.3 | 餘量 | |
含銅的片狀θ′粒子和含鋰的球狀δ′粒子共同沉澱，時效後期鋰能進入θ′相內，使其轉變成T1相。實際上起強化作用的是θ(CuAl2)相的過渡相θ″和θ′，以及δ(AlLi)相的過渡相δ′，因此，在生產中採用能沉澱出這些過渡相的時效制度。合金中加入錳，有利於提高耐熱性能，對提高強度和塑性也有好的作用。少量鎘顯著地提高人工時效強化效果。
鋁銅鋰耐熱合金的密度為2.73g/cm，彈性模量為77.2GPa，經固溶淬火、人工時效後的室溫強度比高強硬鋁合金的還高，在150～225℃的高溫強度優於耐熱硬鋁合金，表2列出了S141合金1.0～2.5mm板材在淬火、人工時效狀態T6(CS)的力學性能。耐腐蝕性能與硬鋁合金的相似。缺口敏感性較大，採取欠時效或雙級時效(見鋁合金時效)處理，可降低缺口敏感性和提高斷裂韌性。
表2 S141合金1.0～2.5mm板材T6狀態的典型力學性能
溫度/℃ | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% |
20 150 175 200 225 | 554 466 451 426 401 | 470 | 7.5 11.0 11.0 10.0 4.0 |
熔煉及套用鋁銅鋰耐熱合金在熔煉時要用較純的氯化鋰和氟化鋰熔劑覆蓋熔體，鑄造過程中用氬氣保護。可以經塑性變形加工成板材、棒材和鍛件，適用於製造超音速飛機的蒙皮和其他熱強結構件。
鎂釷系耐熱合金
鎂釷系耐熱合金以鎂為基、以釷為基本合金化組元、抗蠕變性能良好的耐熱鎂合金。20世紀30年代後期，德國人索爾沃爾德(F.Sauerwald)發現釷可顯著提高鎂的抗蠕變性能。第二次世界大戰後的幾年內，美國道化學公司(Dow Chemical Compary)相繼研究出鑄造、變形通用的HK31A合金和擠壓的HM31A合金兩個工業合金。中國20世紀60年代完成了鎂釷系耐熱合金的試驗室研究。
鎂釷系合金可熱處理強化、耐蝕、對應力腐蝕極不敏感，焊接性能好(焊接係數為0.75～0.85，焊後不需退火消除應力)，室溫強度中等，抗蠕變性能優於其他鎂合金。由於鎂釷系合金生產工藝複雜、釷有放射性、防護措施極嚴和成本高，從而限制了鎂釷系合金的套用與發展，僅用作航空、航天飛行器的耐熱結構件。
一些鎂釷系基本工業合金的化學成分和典型性能見表。
美國 牌號① | 前蘇聯牌號 | 主要組元 | 製品和狀態② | 力學性能 | 特 性 | ||||
Th | Mn | Zr | σb /MPa | σ0.2 /MPa | δ /% | ||||
HM21A | MA13 | 1.5～2.5 | 0.35～0.80 | 板材，T8 模鍛件，T5 | 224 231 | 147 175 | 6 3 | 抗蠕變溫度到350℃，短時工作 溫度到425℃ | |
HM31A | BMД1 | 2.5～3.5 | ≥1.2 | 擠壓件，T5 | 294 | 231 | 10 | 抗蠕變溫度到350℃，短時工作 溫度到425℃ | |
HK31A | 2.5～4.0 | 0.5～1.0 | 板材，H24 擠壓件，T5 | 230 255 | 170 180 | 4 4 | 抗蠕變溫度到205℃，短時工作 溫度到425℃ | ||
①HM21A、HM31A和HK31A合金中的雜質(除鎂外的其他雜質元素總和)≤0.3‘；meidu
②T8—淬火+冷變形+人工時效，T5—熱變形+人工時效，H24—冷作硬化後部分退火。
