第9讲-温合金和铸铁.ppt

第5节、高温合金 一、概述 1、高温合金性能的基本要求：所谓高温合金，是指在650~1100℃温度下长期工作的合 金。高温合金的迅速发展是与航空、动力等工业部门的迫切需要密切相关的。目前高温合金 主要用于航空发动机、工业燃气轮机等。此外，在石油化工、火箭发动机、宇宙飞行器、核 反应堆等方面也获得广泛应用。 右图是某喷气发动机的工作温度 和压力分布情况图。发动机中的压气 机盘、压气机叶片、燃烧室、涡轮导 向叶片、涡轮叶片、涡轮盘等，都是 在较高温度下长期工作的。除高温外， 还承受极复杂的机械负荷，如涡轮叶 片，由于振动、气流冲刷，特别是由 于旋转而造成的离心力，使其受到较 大的应力作用；加上在燃气流中含有 SO2、H2S等腐蚀性气体，将受到剧 烈的氧化和腐蚀，其工作条件相当复杂。上述零部件都必须采用高温合金来制造。 由此可知，作为高温合金材料必须具备如下的基本要求： （1）高的热强性：合金在高温下具有高的抵抗塑性变形和断裂的能力。 （2）高的热稳定性：合金在高温下具有高的抵抗氧化和燃气腐蚀的能力。 （3）良好的工艺性能：即合金在冶炼、铸造、锻造、冷压、焊接、热处理和 切削加工方面具有满意的工艺性能，便于加工成成品。 此外，在物理性能方面也有所要求，例如高的比强度和弹性模量，大的导热系 数，小的热膨胀系数等。 要完全满足上述要求是很困难的，因此，在选材时，应根据其不同的服役条 件，有针对性地进行合理地选用。 2、评定高温合金的主要性能指标 A、蠕变：蠕变是金属材料在恒定应力和长时间的作用下产生缓慢塑性变形的 一种现象。蠕变对于高温下工作的零件具有重要意义。若设计或选材不当，蠕变产 生的过量变形可以使零件失效和破坏。如涡轮叶片蠕变过量会与壳体碰撞产生事故。 蠕变现象可用蠕变时的变形与时间的关系曲线-蠕变曲线来描述。 oa段：加载后所引起的瞬时变形。如 应力超过弹性极限，则瞬时变形由弹性变 形和塑性变形组成。它不是蠕变现象的发 生，而是外载荷引起的一般变形过程。 ab段：蠕变第一阶段。该阶段蠕变速 度逐渐减小，又称为减速蠕变阶段。 bc段：蠕变第二阶段。因该阶段蠕变 速度几乎不变，又叫恒速蠕变阶段。 cd段：蠕变第三阶段。该阶段蠕变速 度不断增加直到断裂，也叫加速蠕变阶段。 蠕变现象发生的原因是由于金属原子在高温下活动能力显著增强，使扩 散过程易于进行，致使室温下起强化作用的因素逐渐减弱或完全消失。如 促进回复和再结晶过程；使晶界相对移动；使过饱和固溶体分解；或使弥 散相发生聚合等。所有这些都会使金属的形变强化、晶界强化和相变强化 的效果部分或全部消失。因此，金属在高温下随时间延长而抵抗塑性变形 能力显著减弱，从而产生材料的蠕变。 蠕变性能的评定指标 — 蠕变极限： 蠕变极限是指金属在一定温度下、一定时间内，产生一定变形量时的应 力大小。用符号 表示，右上标为温度，右下标为变形速度。 B、持久强度：金属在一定温度下，在规定时间内合金断裂时的应力值，用符 号 表示。 有时也用持久寿命来表示：指金属在一定温度和应力作用下断裂的时间，用符 号 表示，单位为小时。 C、表面热稳定性 — 抗氧化和抗腐蚀性能 高温氧化是氧与合金元素作用生成各种氧化物的现象。一般用在一定温度下， 一定时间内，每平方米内增重的克数来比较合金的抗氧化能力。 热腐蚀是近年来发现的问题。机理仍未完全弄明白。一般认为是由于燃料中的 杂质硫、钒、钠等在高温燃烧时，生成熔融状态的Na2SO4粘附于零件表面上，发 生复杂的反应而使材料迅速破坏。 抗氧化和抗腐蚀性能是评定工业燃气轮机和船用燃气轮机材料的重要性能指 标。 3、提高高温合金耐热性的途径：合金耐热性，包括热稳定性和热强性两个方面。 提高高温合金热稳定性的措施： （1）在零件表面上加一层抗氧化的保护膜：如渗铝、渗铬、渗硅或者喷上一层 高强保护涂层（主要有Al2O3、ZrO2、Cr2O3所组成）。 （2）提高合金基体热稳定性，就是在基体金属中加入一定量的合金元素，使 合金在高温下表面形成一层致密的保护性氧化膜。这类元素主要有铬、铝、硅。 但加铝使合金冶炼性能变坏，在热加工和热处理时会发生脱碳或者石墨化；加硅使 合金变脆，也有石墨化和脱碳问题，因此，铝和硅不能多加。只有铬元素不仅能够 提高合金的热稳定性，而且改善其机械性能，因此，铬是高温合金的主加元素。含 铬越高，抗氧化温度越高。 提高高温合金的热强性，就是使合金在高温下具有阻碍蠕变过