高温合金材料

耐热合金
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金属材料领域术语
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简介
耐热合金是指在高温下具有高的抗氧化性、抗蠕变性与持久强度的合金，也叫高温合金。随着现代科学技术(特别是航空、火箭等)的发展，金属材料或制品的工作温度不断提高。在高温合金的领域内，大量使用的主要是铁基、镍基和钴基高温合金。从合金晶体结构的强度观点出发，高温强化的3个基本特点：
(1)提高位错在滑移界面运动的阻力，即增加滑移式变形机构的形变抗力。
(2)减缓位错的扩散型运动过程，以抑制扩散型形变机构的进行。
(3)改善晶体结构状态，以增加晶界强化作用;或是取消晶界，以消除晶界在高温时的薄弱环节。
近几十年来，已研制出一系列高温合金，其使用温度由650℃提高到1100℃左右。高温合金是广泛应用于航空、航天、船舶、发电、动力、机车及石油和化学工业中关键部位的材料。 
耐热合金分类
按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等 高温部件;还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。高温合金应具有高的蠕变强度和持久强度、良好的抗热疲劳和机械疲劳性能、良好的抗氧化和抗燃气腐 蚀性能以及组织稳定，其中以蠕变强度和持久强度最为重要。 
耐热冶金制作工艺
不含或少含铝、钛的高温合金， 一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气 中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸 锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉;重熔的主要手段有真 空自耗炉和电渣炉。
固溶强化型合金和含铝、钛低(铝和钛的总量约小于4.5%)的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。合金化程度较高、不易变形的合金，目前广泛采用精密铸造成型，例如铸造涡轮叶片和导向叶片。为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出了定向结晶工艺。此外，为了消除全部晶界，近年来还研究出了单晶叶片的制造工艺。 
铝铜锂耐热合金
铝铜锂耐热合金是在高强硬铝合金的基础上以锂代替镁发展起来的铝锂系合金。具有密度小、弹性模量大、强度高和耐热性能好等特点，其典型合金有美国的2020合金、前苏联的BAД23合金和中国的S141合金。
其成分及组织合金的化学成分列于表1。它们可热处理强化，固溶淬火后时效沉淀序列为：
表1 铝铜锂耐热合金的化学成分(%)
牌 号
主 要 元 素
杂质≤
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
余量
余量
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
余量
含铜的片状θ′粒子和含锂的球状δ′粒子共同沉淀，时效后期锂能进入θ′相内，使其转变成T1相。实际上起强化作用的是θ(CuAl2)相的过渡相θ″和θ′，以及δ(AlLi)相的过渡相δ′，因此，在生产中采用能沉淀出这些过渡相的时效制度。合金中加入锰，有利于提高耐热性能，对提高强度和塑性也有好的作用。少量镉显著地提高人工时效强化效果。
铝铜锂耐热合金的密度为2.73g/cm，弹性模量为77.2GPa，经固溶淬火、人工时效后的室温强度比高强硬铝合金的还高，在150～225℃的高温强度优于耐热硬铝合金，表2列出了S141合金1.0～2.5mm板材在淬火、人工时效状态T6(CS)的力学性能。耐腐蚀性能与硬铝合金的相似。缺口敏感性较大，采取欠时效或双级时效(见铝合金时效)处理，可降低缺口敏感性和提高断裂韧性。
表2 S141合金1.0～2.5mm板材T6状态的典型力学性能
温度/℃
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
熔炼及应用铝铜锂耐热合金在熔炼时要用较纯的氯化锂和氟化锂熔剂覆盖熔体，铸造过程中用氩气保护。可以经塑性变形加工成板材、棒材和锻件，适用于制造超音速飞机的蒙皮和其他热强结构件。 
镁钍系耐热合金
镁钍系耐热合金以镁为基、以钍为基本合金化组元、抗蠕变性能良好的耐热镁合金。20世纪30年代后期，德国人索尔沃尔德(F.Sauerwald)发现钍可显著提高镁的抗蠕变性能。第二次世界大战后的几年内，美国道化学公司(Dow Chemical Compary)相继研究出铸造、变形通用的HK31A合金和挤压的HM31A合金两个工业合金。中国20世纪60年代完成了镁钍系耐热合金的试验室研究。
镁钍系合金可热处理强化、耐蚀、对应力腐蚀极不敏感，焊接性能好(焊接系数为0.75～0.85，焊后不需退火消除应力)，室温强度中等，抗蠕变性能优于其他镁合金。由于镁钍系合金生产工艺复杂、钍有放射性、防护措施极严和成本高，从而限制了镁钍系合金的应用与发展，仅用作航空、航天飞行器的耐热结构件。
一些镁钍系基本工业合金的化学成分和典型性能见表。
美国
牌号①
前苏联牌号
主要组元
制品和状态②
力学性能
特 性
Th
Mn
Zr
σb
/MPa
σ0.2
/MPa
δ
/%
HM21A
MA13
1.5～2.5
0.35～0.80
板材，T8
模锻件，T5
224
231
147
175
6
3
抗蠕变温度到350℃，短时工作
温度到425℃
HM31A
BMД1
2.5～3.5
≥1.2
挤压件，T5
294
231
10
抗蠕变温度到350℃，短时工作
温度到425℃
HK31A
2.5～4.0
0.5～1.0
板材，H24
挤压件，T5
230
255
170
180
4
4
抗蠕变温度到205℃，短时工作
温度到425℃
①HM21A、HM31A和HK31A合金中的杂质(除镁外的其他杂质元素总和)≤0.3‘；meidu
②T8—淬火+冷变形+人工时效，T5—热变形+人工时效，H24—冷作硬化后部分退火。