傳統的劃分高溫合金材料可以根據以下3 種方式來進行: 按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。
1、按基體元素種類
⑴鐵基高溫合金
鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素,加入少量的Ni、Cr 等合金元素,耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。
⑵鎳基高溫合金
鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上,適用于1 000℃以上的工作條件,采用固溶、時效的加工過程,可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅。目前就高溫環境使用的高溫合金來分析,使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產量、使用量的一種高溫合金. 很多渦輪發動機的渦輪葉片及燃燒室,甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個多世紀以來,航空發動機所應用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應該說,這一巨大也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發展。
⑶鈷基高溫合金
鈷基高溫合金是以鈷為基體,鈷含量大約占60%,同時需要加入Cr、Ni 等元素來高溫合金的耐熱性能,雖然這種高溫合金耐熱性能較好,但由于各個鈷資源產量比較少,加工比較困難,因此用量不多。通常用于高溫條件( 600 ~ 1 000℃) 和較長時間受極限復雜應力高溫零部件,例如航空發動機的工作葉片、渦 、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能,一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co,以保證其優越的抗熱抗疲勞性。
2、合金強化類型
根據合金強化類型,高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
⑴固溶強化型
所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中,形成單相奧氏體組織,溶質原子使固溶體基體點陣發生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導致交滑移難于進行,合金被強化,達到高溫合金強化的目的。
⑵時效沉淀強化
所謂時效沉淀強化即合金工件經固溶處理,冷塑性變形后,在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金,在650℃的屈服強度達1 000 MPa,制作葉片的合金溫度可達950℃。
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年的發展歷程。60年的高溫合金發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業和起始階段。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展階段。本階段主要是應用和開發了一批新工藝,研制和生產了一系列高性能、次的新合金。
目前,我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學院金屬研究所、北京科技大學、東北大學、西北工業大學等,主要生產企業有:中航工業、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機械集團萬航模鍛廠(二重)等。在此基礎上,我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發和研究的能力。
雖然高溫金屬合金材料在我國已發展近60年,但行業發展仍處于成長期。由于高溫金屬合金材料領域具有較高技術含量,該行業企業擁有較深護城河。我國高溫金屬合金每年需求量在2萬噸以上,國內年生產量在1萬噸左右,市場容量超過80億元,其中進口占比較大。未來20年我國各類軍機采購需求在2800架左右,民用飛機采購數量在5400架左右,對應的高溫合金需求在1500億以上,再加上500億的燃氣輪機需求,僅高溫合金空間一項就有2000億的市場空間即將打開。
我國目前的生產能力與需求相比存在兩個缺口:(1)生產能力不足。目前我國高溫合金生產企業數量有限,生產能力與需求之間存在較大缺口,在燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。(2)高端產品難以滿足應用需求。我國的高溫合金生產水平與美國、俄羅斯等國有著較大差距,隨著我國研制更高性能的航空航天發動機,高溫合金材料在供應上存在無法滿足應用需求的現象 [1] 。
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所謂雙相不銹鋼是在其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相各占一半,一般少相的含量也需要達到30%。
由于兩相組織的特點,通過正確控制化學成分和熱處理工藝,使DSS(Duplex Stainless Steel,簡稱DSS),兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優勢如下:
⑴屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多,且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%,有利于降低成本。
⑵具有優異的耐應力腐蝕破裂的能力,即使是含合金量 的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應力腐蝕破裂的能力,尤其在含氯離子的環境中。應力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。
⑶在許多介質中應用普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優于普通的316L奧氏體不銹鋼,而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性,在一些介質中,如醋酸,甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼,乃至耐蝕合金。
⑷具有良好的耐局部腐蝕性能,與合金含量相當的奧氏體不銹鋼相比,它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優于奧氏體不銹鋼。
⑸比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數低,和碳鋼接近,適合與碳鋼連接,具有重要的工程意義,如生產復合板或襯里等。
⑹不論在動載或靜載條件下,比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力,這對結構件應付突發事故如沖撞,爆炸等,雙相不銹鋼優勢明顯,有實際應用價值。
與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢如下:
⑴應用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼,例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下。
⑵其塑韌性較奧氏體不銹鋼低,冷,熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。
⑶存在中溫脆性區,需要嚴格控制熱處理和焊接的工藝制度,以避免有害相的出現,損害性能。
與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的優勢如下:
⑴綜合力學性能比鐵素體不銹鋼好,尤其是塑韌性,不象鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。
⑵除耐應力腐蝕性能外,其他耐局部腐蝕性能都優于鐵素體不銹鋼。
⑶冷加工工藝性能和冷成型性能遠優于鐵素體不銹鋼。
⑷焊接性能也遠優于鐵素體不銹鋼,一般焊前不需預熱,焊后不需熱處理。
⑸應用范圍較鐵素體不銹鋼寬。與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的弱勢如下:合金元素含量高,價格相對高,一般鐵素體不含鎳。
綜上所述,可以概括地看出DSS的使用性能和工藝性能的樣貌,它以其優越的力學與耐腐蝕綜合性能贏得了使用者的青睞,已成為既節省重量又節省投資的優良的耐蝕工程材料。
1:Hastelloy B-2 alloy(哈氏B-2合金)
一、耐蝕性能
哈氏B-2合金是一種有極低含碳量和含硅量的Ni-Mo合金,它減少了在焊縫及熱影響區碳化物和其他相的析出,從而確保即使在焊接狀態下也有良好的耐蝕性能。 眾所周知,哈氏B-2合金在各種還原性介質中具有優良的耐腐蝕性能,能耐常壓下任何溫度,任何濃度鹽酸的腐蝕。在不充氣的中等濃度的非氧化性硫酸、各種濃度磷酸、高溫醋酸、甲酸等有機酸、溴酸以及氯化氫氣體中均有優良的耐蝕性能,同時,它也耐鹵族催化劑的腐蝕。因此,哈氏B-2合金通常應用于多種苛刻的石油、化工過程,如鹽酸的蒸餾,濃縮;乙苯的烷基化和低壓羰基合成醋酸等生產工藝過程中。但在哈氏B-2合金多年的工業應用中發現:
(1)哈氏B-2合金存在對抗晶間腐蝕性能有相當大影響的兩個敏化區:1200~1300℃的高溫區和550~900℃的中溫區;
(2)哈氏B-2合金的焊縫金屬及熱影響區由于枝晶偏析,金屬間相和碳化物沿晶界析出,使其對晶間腐蝕敏感性較大;
(3)哈氏B-2合金的中溫熱穩定性較差。當哈氏B-2合金中的鐵元素含量降至2%以下時,該合金對β相(即Ni4Mo相,一種有序的金屬間化合物)的轉變敏感。當合金在650~750℃溫度范圍內停留時間稍長,β相瞬間生成。β相的存在降低了哈氏B-2合金的韌性,使其對應力腐蝕變得敏感,甚至會造成哈氏B-2合金在原材料生產(如熱軋過程中)、設備制造過程中(如哈氏B-2合金設備焊后整體熱處理)及哈氏B-2合金設備在服役環境中開裂。現今,我國和世界各國指定的有關哈氏B-2合金抗晶間腐蝕性能的標準試驗方法均為常壓沸騰鹽酸法,評定方法為失重法。由于哈氏B-2合金是抗鹽酸腐蝕的合金,因此,常壓沸騰鹽酸法檢驗哈氏B-2合金的晶間腐蝕傾向相當不敏感。國內科研機構用高溫鹽酸法對哈氏B-2合金進行研究發現:哈氏B-2合金的耐蝕性能不僅取決于其化學成分,還取決于其熱加工的控制過程。當熱加工工藝控制不當時,哈氏B-2合金不僅晶粒長大,而且晶間會析出現高Mo的σ相,此時,哈氏B-2合金的抗晶間腐蝕的性能明顯下降,在高溫鹽酸試驗中,粗晶粒板與正常板的晶界浸蝕深度相差約一倍左右。
二、物理性能
哈氏B-2合金的物理性能如下表所示。密度:9.2g/cm3, 熔點:1330~1380℃,磁導率:(℃,RT)≤1.001