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耐高温合金材料的制备工艺


耐高温合金材料的定义:
耐高温合金材料是一种以铁、镍、钴为基体的金属材料,在600℃以上的高温和一定应力下能长期工作,具有高温强度高、抗氧化、耐腐蚀性好、疲劳性能好、断裂韧性好等综合性能。高温合金是一种单奥氏体结构,在各种温度下具有良好的结构稳定性和可靠性。
基于以上性能特点,以及合金化程度高的高温合金,又称“高温合金”,被广泛应用于航空、航天、石油、化工、船舶等行业作为重要材料。高温合金根据基体元素分为铁基、镍基和钴基高温合金。铁基高温合金通常在750到780摄氏度的温度范围内使用。对于高温下使用的耐热部件,使用镍基和难熔金属基合金。镍基高温合金在整个高温合金领域具有特殊和重要的地位,广泛用于制造航空喷气发动机和各种工业燃气轮机的热端部件。
制备工艺
1、铸造冶金工艺
目前,各种先进的铸造制造技术和加工设备不断发展和完善,如热控凝固、细晶技术、激光成形修复技术、耐磨铸造技术等,原有的技术水平不断提高,以提高各种高温合金铸件的质量一致性和可靠性。
不含或少含铝和钛的高温合金,一般由电弧炉或非真空感应炉熔炼而成。对于含铝、钛的高温合金,在大气中熔炼时,元素燃烧损失不易控制,气体和夹杂物进入较多,应采用真空熔炼。为了进一步降低夹杂物的含量,改善夹杂物的分布状态和钢锭的晶体结构,可以采用熔炼和二次重熔相结合的双重工艺。冶炼的主要手段是电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉,重熔的主要手段是真空自耗炉和渣炉。
含铝钛低(约占铝钛总量的4.5%)的固溶合金和含钛合金锭可用于锻造坯料;含铝钛合金一般用于挤压或轧制坯料,然后热轧以获得合金锭;有些产品需要进一步冷轧或冷拔。大直径合金锭或饼需要用水压机或快锻液压机锻造。
2、结晶冶金工艺
近年来发展了定向结晶工艺,以减少或消除与铸造合金中的应力轴垂直的晶界,并减少或消除孔隙率。这一过程是在合金凝固过程中,使晶粒沿晶体方向生长,得到无横向晶界的平行柱状晶体。实现定向结晶的主要过程是在液相线和固体线之间建立和保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外,为了消除所有晶界,有必要对单晶叶片的制造工艺进行研究。
3、粉末冶金工艺
粉末冶金工艺主要用于生产沉淀强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。这种工艺可以使不能变形的铸造高温合金获得正常的塑性甚至超塑性。
4、强度提高工艺
⑴固溶强化
与基体原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)的加入会引起基体晶格的畸变,元素(如钴)的加入降低了合金基体堆叠的位错能,降低了基体元素(钨、钼等)的加入,从而减缓了基体元素的扩散速率,增强了基体。
⑵ 沉淀强化
第二阶段(伽马、伽马、碳化物等)通过时效处理从过饱和固溶体中沉淀出来,以强化合金。与基体相类似,晶格常数与基体相类似,晶格常数与晶体相类似,因此,伽玛相可以以细小粒子的形式均匀沉淀,阻碍位错的移动,具有显著的增强作用。伽马相是A3B型金属间化合物,A代表镍和钴,B代表铝、钛、铌、钽、钒和钨,而铬、钼和铁可以是A和B。在镍基合金中的典型的单位是Ni3(Al,Ti)。伽玛相的强化效果可以通过以下途径来加强:
①增加γ‘相的数量;
(2)使操作“相”和“矩阵”具有合适的失配度,以获得相干畸变的增强效应;
(3)Nb、Ta等元素的加入增加了伽马相的反相域边界能,增强了其抗位错切割的能力。
(4)添加钴、钨、Mo等元素以提高“相”的强度。“伽马”相是由Ni3Nb组成的体心四方结构。由于γ“相与基体之间存在很大的失配,在很大程度上会引起相干变形,合金的屈服强度很高。但当温度超过700℃时,强化效果会显著降低。钴基高温合金一般不含伽马相,用碳化物强化

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