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高温合金材料分类及特性
发布时间:
2022-01-10
高温合金具有优良的热强性、热稳定性及抗热疲劳性能。高温合金的种类很多，一般是以铁、镍、钴为基，添加多重合金元素得到不同用途的高温合金。常用的添加元素有钴、铬、钨、钼、铌、钽、钛、铝、钒、铪、硼或锆等。
1. 高温合金的分类
高温合金具有优良的热强性、热稳定性及抗热疲劳性能。高温合金的种类很多，一般是以铁、镍、钴为基，添加多重合金元素得到不同用途的高温合金。常用的添加元素有钴、铬、钨、钼、铌、钽、钛、铝、钒、铪、硼或锆等。
高温合金按基体元素、强化方法和生产工艺的不同而分成不同类型的高温合金。
1）按基体元素分类
按基体元素的不同，高温合金可分为以下几种。
（1）铁基高温合金（又称耐热钢）。它以铁为主要成分（>10%），多数以Fe-Ni-Cr故容易为基体，通过添加其他合金元素而形成。铁基高温合金含有大量的铁以稳定奥氏体基体。一般把含镍25%~60%及寒铁15%~60%的高温合金成为铁镍基高温合金，如GH1140，GH2132，GH2135，GH761，GH901，K214等（GH及K字后的第一个阿拉伯数字为分类号，1表示固溶强化铁基合金；2表示沉淀（时效）强化铁基合金；3表示固溶强化镍基合金；4表示沉淀强化镍基合金；5表示固溶强化钴基合金；6表示沉淀强化钴基合金；7表示固溶强化铬基合金；8表示沉淀强化铬基合金；其后的二位或三位数字为合金的编号）。
（2）镍基高温合金。它以镍为主要成分，含镍量大于45%，一般以Ni-Cr固溶体为基体，通过添加合金元素而形成。镍基高温合金有形变镍基高温合金及铸造镍基高温合金之分。属于这类的合金很多，如GH4033，GH4133，GH4037，GH4049，GH4169，GH220，GH738，K403，K405，K417，K417G，K419等。
（3）钴基高温合金。钴基高温合金可在700~1050℃高温下使用。它以钴为主要成分，其典型代表是K610，含钴量大于58%。由于钴的价格昂贵、资源短缺，所以国内外军很少使用，已有的牌号有K640、K644、GH188等。
另外，还有钼基高温合金、铌基高温合金、钛基高温合金等，但均未得到广泛应用。
2）按强化方法分类
高温合金按强化方法的不同可分为以下几种。
（1）固溶强化高温合金。固溶强化是高温合金的基本强化手段。这种合金采用的主要合金元素为Co、Cr、Mo、W、Nb、Ta等。我国研制成功了一系列用W、Mo、Nb等元素强化的镍基和铁基高温合金，如GH1016，GH3039，GH1140，GH3044等。
（2）沉淀强化（时效硬化）高温合金。这种合金采用的主要合金元素为Al、Ti、Ta、Hf（γ′、γ″）、C、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Hf（碳化物）等。大多数合金以Ni3Al型γ′相为主要强化相，也有以Ni3Nb型γ″相为强化相的（如GH4169高温合金）。在钴基和少数铁基高温合金中（如GH2036），也有碳化物作为强化相的。第二相强化在高温合金中起着非常重要的作用，如GH2302，GH4049，K214，K401等。
（3）弥散强化高温合金。他们一般都以Y2O3、ThO2、HfO2及ZrO2等氧化物作为第二相弥散指点并高度分散在合金计提中，以达到强化的目的，如MGH754、MA6000E等。
3）按生产工艺分类
高温合金按生产方法的不同分为以下几种。
（1）变形高温合金。这类高温合金包括马氏体时效合金，固溶强化奥氏体合金及沉淀硬化奥氏体合金等。它们是通过固溶强化、沉淀硬化及强化晶界等方法获得高温性能的，常见的变形高温合金有GH1015、GH2036、GH3128、GH4133等。
（2）铸造高温合金。当合金成分和组织复杂、塑性不高，不能经受变形时，可采用精密的铸造方法使其成型。该类合金有铁、镍、钴基合金，如K211、K417、K640等。
（3）定向凝固高温和。在真空感应炉中熔炼合金，在定向凝固炉中重熔，浇筑成定向凝固铸件，如DZ3、DZ22、DZ4、DZ38G、DZ202等。
（4）单晶高温合金。该类合金是在真空熔炼炉中熔炼母合金，在真空感应炉中重熔，采用熔模精密铸造法和定向凝固引晶法制造而成，如DD3、DD8。
（5）粉末高温合金，高磊合金是将合金职称粉末，经热等静压成形，再经锻造而成的，如FG02-01（FGH95）。这种高温合金是γ′相沉淀强化镍基高温合金，γ′相含量约为50%（体积），组织均匀，晶粒细小，屈服强度高，抗疲劳性能好。
2. 高温合金的材料特性
我国部分常用高温合金的物理、力学性能如表2-3：
与磨削加工有关的高温合金的材料特性如下所示。
（1）高温合金的基体是Ni-Cr、Fe-Ni-Cr或Co-Cr-Ni奥氏体，含有许多高熔点合金元素，如Fe、Cr、Co、Ni、V、Mo、W、Nb、Ta等。合金元素和基体之间合金元素之间的相互作用十分复杂。由于固溶强化，共格相沉淀强化，碳化物强化及晶界控制等的联合作用，形成了之谜的奥氏体合金诅咒，从而大大改善了高温合金的力学性能，使磨削时的塑性变形层度增大。
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