高温合金未来发展趋势
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1、含铼单晶叶片
镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域,在航空发动机上主要用于制作热端部件,如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。在整个高温合金领域中,镍基高温合金占有特殊重要的地位,与铁基和钴基合金相比,镍基合金具有更好的高温性能,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,可以说,镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展,也决定了航空工业的发展。
采用定向凝固技术制备出的镍基单晶合金,其使用温度已接近合金熔点的90%,成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。镍基单晶高温合金通常划分为五代,早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金,随着铼(Re)元素的引入,第二代和第三代单晶合金相继出现,近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru),从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。
采用定向凝固技术制备出的镍基单晶合金,其使用温度已接近合金熔点的90%,成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。镍基单晶高温合金通常划分为五代,早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金,随着铼(Re)元素的引入,第二代和第三代单晶合金相继出现,近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru),从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。
单晶抗蠕变能力最强
在单晶的成分设计中,要兼顾合金性能和工艺性能,由于单晶中不存在晶界,并应用在较为苛刻的环境下,所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。研究报告随着单晶合金的发展,合金的化学成分具有如下变化趋势:引入Re元素,引入Ru、Ir等铂族元素,增加难熔元素W、Mo、Re、Ta的含量;难熔元素的加入总量增加,C、B、Hf等元素从“完全去除”转为“限量使用”;降低Cr含量从而允许加入更多其他的合金化元素而保持组织稳定。
含铼单晶叶片大幅提升了其耐温能力及蠕变强度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4,GE公司的Rene′N5为代表的第二代单晶合金与第一代单晶合金相比,通过加入3%的铼元素、适当增大了钴和钼元素的含量,使其工作温度提高了30℃,持久强度与抗氧化腐蚀能力达到很好的平衡。在第三代单晶合金ReneN6和CMSX-10中,合金成分进行进一步优化,提高原子半径大的难溶元素的总含量,特别是加入高达5wt%以上的铼,显著提高高温蠕变强度,1150℃的持久寿命大于150小时,远远高于第一代单晶合金约10小时的寿命,并获得高强度、抗热疲劳、抗氧化和热腐蚀性能。美国和日本相继开发出了第四代单晶合金,通过添加钌,进一步提高了合金微观结构的稳定性,增加了长时间高温暴露下的蠕变强度。其1100℃下的持久寿命比第二代单晶合金提高了10倍,使用温度达到了1200℃。
含铼单晶叶片是未来航空发动机涡轮叶片的趋势。单晶叶片由于其耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性较定向凝固柱晶合金有了显著提高,从而很快得到了航空燃气涡轮发动机界的普遍认可,几乎所有先进航空发动机都采用了单晶合金用作涡轮叶片。
2、新型高温合金
市场分析新型高温合金主要包括:粉末高温合金、金属间化合物、ODS合金和高温金属自润材料等四种。其中粉末高温合金采用粉末冶金工艺,成分均匀,无宏观偏析,而且晶粒细小,热加工性能好,金属利用率高,成本低,尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高,可以满足应力水平较高的发动机的使用要求,是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料;金属间化合物用于制作各类先进运载工具动力推进系统的构件,减少自重、提高效能;ODS合金具有优良的高温蠕变性能、高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能,可用于制造发动机关键部件,也可用于火力发电系统、煤气化炉、工业燃气轮机和工业锅炉、玻璃制造、汽车柴油发动机、核反应堆等;高温金属基自润滑材料主要用于生产高温自润滑轴承,主要用于替代含油轴承、镶嵌式固体自润滑轴承、双金属轴瓦及铸硫钢固体润滑轴承(包括铸钢表面硫化处理轴承)在冶金设备上的应用,该高温自润滑轴承具有强度高、承载能力大、润滑效果好、结构设计合理、噪音小、使用寿命长等优点。
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