高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化抗腐蝕性能、優(yōu)異的抗疲勞和抗蠕變性能、以及甚佳的斷裂性能和組織穩(wěn)定性，是現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可替代的關(guān)鍵材料[1]。高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的重要保證，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展是高溫合金發(fā)展的動(dòng)力。先進(jìn)高溫合金材料和工藝的研制屬高技術(shù)領(lǐng)域。高溫合金的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平高低的標(biāo)志之一，也是一個(gè)國(guó)家國(guó)防力量強(qiáng)弱的標(biāo)志之一。世界各先進(jìn)國(guó)家都非常重視高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用，并投入了大量的人力和物力。
我國(guó)從1956年開(kāi)始研制和生產(chǎn)高溫合金。50多年來(lái)，我國(guó)高溫合金從無(wú)到有，從仿制到創(chuàng)新，已先后研制和生產(chǎn)了近200個(gè)牌號(hào)，形成了具有中國(guó)特色的完整的高溫合金體系，保證了我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)所需高溫合金材料完全立足于國(guó)內(nèi)。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所高溫合金和金屬間化合物研究組從1962年開(kāi)始研究高溫合金，至今已有50年歷史，先后研制成功或正在研究的有鐵基變形高溫合金GH2135、GH2035A、GH2984、GH2328、GH2901、GH2761、GH2107；鎳基變形高溫合金GH4413；無(wú)縫管材合金GH3044大尺寸渦輪盤(pán)合金GH4698和GH4742；鎳基鑄造合金K4169、K435、K446、K452、K447、K445；鈷基高溫合金K640S；BC合金I(444；定向凝固高溫合金DZ417G、DZ483、DZ444G；單晶高溫合金DD444、DD417G、DD483；低膨脹高溫合金GH2903等20多個(gè)牌號(hào)，其中約有一半是與兄弟組或其它單位共同完成的。下面重點(diǎn)介紹幾種我國(guó)獨(dú)創(chuàng)和獨(dú)具特色的高溫合金。
1、渦輪盤(pán)用鐵基高溫合金GH2135
GH2135合金是中國(guó)科學(xué)院金屬研究所于1958年在師昌緒先生指導(dǎo)下研制的鐵基變形合金，用以代替當(dāng)時(shí)大量使用的鎳基合金GH4033。初期由于中心縮孔等冶金缺陷，在撫順?shù)搹S鍛造時(shí)不能成材，而且由于追求持久強(qiáng)度，選擇的固溶處理溫度高達(dá)1220℃，處理后的試棒表面由于氧化皮太厚而暫停研究。在終止研究幾年后，1962年本研究組重新開(kāi)始研制，從合金的成分范圍、最佳成分控制、熱處理制度、組織結(jié)構(gòu)到全面力學(xué)性能測(cè)試等，都進(jìn)行了較為深入的研究。
GH2135合金的綜合性能達(dá)到或超過(guò)了GH4033合金。1964年開(kāi)始到撫順?shù)搹S進(jìn)行工業(yè)試生產(chǎn)，并與撫鋼合作開(kāi)展工程化研究，取得了大量數(shù)據(jù)。在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表論文數(shù)十篇，并出版GH2135鐵基高溫合金匯編一本[2】。自1967年GH2135合金正式列入“冶標(biāo)”開(kāi)始轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)，至1974年，撫鋼、上鋼五廠、大冶
鋼廠，齊齊哈爾鋼廠等冶金廠生產(chǎn)量達(dá)1000多t。
GH2135合金主要用作渦輪盤(pán)材料，也曾經(jīng)用來(lái)制作渦輪葉片和燃?xì)廨啓C(jī)的火焰筒等不同結(jié)構(gòu)件。
1.1合金的化學(xué)成分特點(diǎn)
GH2135合金的化學(xué)成分，與GH4033合金相比，最大特點(diǎn)是節(jié)省大量的鎳和少量的鉻。從表1可以看出，GH2135可節(jié)省41％的鎳和5.5％的鉻。這在當(dāng)時(shí)中國(guó)缺乏鎳和鉻資源的情況下，特別是西方資本主義國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)封鎖的形勢(shì)下，不僅具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義，而且有著不可估量的政治意義。
與GH4033合金相比，GH2135合金還利用了4％左右的難熔金屬元素w+Mo進(jìn)行固溶強(qiáng)化，而GH4033則沒(méi)有采用難熔金屬固溶強(qiáng)化。同時(shí)，GH2135
合金加入了約5％的Al+Ti進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，而GH4033合金僅加入了3.4％左右的Al+Ti形成)，強(qiáng)化，前者γ'相的含量為12％～16％[3]，而后者γ'相的含量則只有7.3％～9.1％[4]。
1.2合金的顯微組織特點(diǎn)
GH2135合金金相組織的最大特點(diǎn)是沿晶分布的鏈狀碳化物不是M23C6，而是二次TiC。通常認(rèn)為含有2％W和2％Mo的鐵基或鎳基高溫合金，應(yīng)該有M23c6相沿晶界析出。但電解萃取相的x射線分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)M：C6，甚至將萃取相進(jìn)行相分離，只保留碳化物和硼化物相，x射線結(jié)構(gòu)分析仍然只發(fā)現(xiàn)TiC。
GH2135合金低溫沿晶斷口的萃取復(fù)型證明，晶界上的顆粒相主要是830℃第一次時(shí)效處理時(shí)析出的二次TiC，有時(shí)也發(fā)現(xiàn)有少量顆粒狀M3B2相在晶界存在。
1.3合金的力學(xué)性能特點(diǎn)
GH2135合金的綜合力學(xué)性能已達(dá)到GH4033合金水平。但與GH4033合金比較，GH2135合金有如下兩個(gè)重要的特點(diǎn)。
1.3.1良好的低周疲勞性能
在同樣的試驗(yàn)條件下，GH2135合金的周期持久性能和有疲勞載荷下的持久時(shí)間都明顯優(yōu)于鎳基合金GH4033的，相應(yīng)數(shù)據(jù)要高出1～10倍。其他低周疲勞性能，如恒應(yīng)力控制的缺口試樣的低周疲勞也都顯示出明顯的優(yōu)越性[2]。
在650℃、600MPa條件下測(cè)試GH2135合金和GH4033合金的周期持久性能，結(jié)果見(jiàn)表2t。由表2可見(jiàn)，GH2135合金的周期持久循環(huán)斷裂次數(shù)為GH4033合金的1.6～9.5倍，持久時(shí)間約為GH4033合金的2倍。在疲勞負(fù)荷下GH2135合金和GH4033合金的持久斷裂時(shí)間見(jiàn)表3t。由表3可見(jiàn)，在有交變應(yīng)力作用的同樣試驗(yàn)條件下，GH2135合金的持久斷裂時(shí)間為GH4033合金的2～5倍，純持久斷裂時(shí)間為GH4033合金的2倍。很顯然，GH2135合金的低周疲勞性能明顯優(yōu)于GH4033合金的。
此外，還應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)，GH2135合金在渦輪盤(pán)工作的溫度和應(yīng)力情況下，蠕變一疲勞交互作用系數(shù)B=0，而GH4033合金的則為4。蠕變一疲勞交互作用通常可表示為
交互作用系數(shù)B=0，說(shuō)明蠕變損傷與疲勞損傷沒(méi)有交互作用，而B(niǎo)=4，說(shuō)明兩者之間有明顯交互作用，使損傷更嚴(yán)重。盡管GH2135合金和GH4033合金處于同一條件，由于蠕變一低周疲勞交互作用而使GH4033合金的使用壽命顯著下降，其總周期數(shù)和總壽命都只有GH2135合金的40％[5]。這更加顯示了GH2135合金在低周疲勞方面的優(yōu)越性。
1.3.2屈服強(qiáng)度隨溫度的反常變化
高溫合金的屈服強(qiáng)度一般隨溫度升高而不斷明顯降低，而GH2135合金的屈服強(qiáng)度隨溫度升高不但不降低，反而有所增加，直到750℃才開(kāi)始緩慢降低。
這是GH2135合金力學(xué)性能的又一特點(diǎn)，結(jié)果如表4所列。因此，采用GH2135合金制作在750℃溫度以下使用的渦輪盤(pán)、導(dǎo)流盤(pán)和其他高溫零部件是非常有利的。此外，用GH2135合金制作熱作模具優(yōu)越性更大。因?yàn)闊嶙髂＞?，包括鍛錘砧子等，在工作過(guò)程中溫度愈來(lái)愈高，一般模具材料會(huì)因其屈服強(qiáng)度嚴(yán)重下降而出現(xiàn)凹陷；而GH2135合金與此相反，工作溫度越高，屈服強(qiáng)度反常增加，不會(huì)出現(xiàn)一般模具材料所產(chǎn)生的嚴(yán)重變形現(xiàn)象。
1.4合金的應(yīng)用特點(diǎn)
由于GH2135合金的綜合性能良好，疲勞性能優(yōu)異，特別適于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)。20世紀(jì)70年代，曾大量制作WP.6和WP.6甲發(fā)動(dòng)機(jī)一、二級(jí)渦輪盤(pán)，裝備1000多架殲擊機(jī)和強(qiáng)擊機(jī)在外場(chǎng)正式投入使用，其中還有300多架飛機(jī)援外[6]。在那個(gè)年代這是一種值得稱(chēng)贊的奇跡。
GH2135合金是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的第一個(gè)渦輪盤(pán)鐵基高溫合金，它是我國(guó)自行研制的鐵基沉淀強(qiáng)化高溫合金中使用最早、使用量最大、使用品種最多、研究工作最深入的一種合金，在我國(guó)高溫合金的發(fā)展史上占有非常重要的一頁(yè)。它對(duì)推動(dòng)我國(guó)高溫合金的發(fā)展，特別是鐵基高溫合金的發(fā)展起了不可磨滅的作用。它的研制成功為我國(guó)高溫合金人材培養(yǎng)也起了非常重要的作用。GH2135合金的研制于1978年獲得全國(guó)科學(xué)大會(huì)重大科研成果獎(jiǎng)。
2、環(huán)形件用鐵基高溫合金GH2035A
WJ5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪內(nèi)、外環(huán)等11種零件原采用GH1035鐵基合金，在合金生產(chǎn)過(guò)程中存在強(qiáng)度低、塑性差和鍛造裂紋多這3大技術(shù)難題，使成品率極低，造成重大浪費(fèi)。本研究組通過(guò)成分調(diào)整、熱處理制度改進(jìn)等研究工作，在GH1035合金成分基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利合金GH2035A。該合金除保留原合金的優(yōu)點(diǎn)外，其綜合性能大幅度提高，長(zhǎng)期性能更加穩(wěn)定，同時(shí)，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，熱加工性能優(yōu)異，成形性良好，可以生產(chǎn)鍛材、棒材、板材和管材等。幾年來(lái)，生產(chǎn)量已超過(guò)100t，成材率達(dá)80％以上，性能合格率達(dá)100％。
2.1合金的化學(xué)成分特點(diǎn)
GH2035A合金和GH1035合金的化學(xué)成分見(jiàn)表50由表5可見(jiàn)，GH2035A合金的化學(xué)成分有以下特點(diǎn)：A1和Ce在GH1035合金中是雜質(zhì)元素，愈低愈好，一般都不有意加入，而在GH2035A合金中是作為合金元素必須加入的，而且Al還必須在成分范圍內(nèi)才合格；GH2035A合金中加入了微量B元素，與GH1035合金不加B成為鮮明對(duì)照；GH2035A合金中確定了只加Ti而不加Nb，還允許加入微量Mg元素。
本研究組的研究結(jié)果為GH2035A的成分確定提供了充分而可靠的依據(jù)。
選用Fe.37Ni.22Cr-3W為基礎(chǔ)成分，用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)地研究了Al、Ti、Nb、C、B和RE等元素對(duì)GH2035A合金的性能和組織的影響，其中對(duì)室溫拉伸性能和700℃、235]VIPa條件下持久性能的影響如圖1和圖2所示。有關(guān)分析結(jié)果表明：1)A1應(yīng)作為合金元素加入。合金中加入0.25％A1，抗張強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可分別增加250和150lVIPa，而達(dá)到900和450MPa以上，伸長(zhǎng)率和面縮率分別高于30％和50％，持久壽命由幾小時(shí)延長(zhǎng)至150h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)技術(shù)指標(biāo)要求，而不加A1或其含量低于0.25％時(shí)，則合金性能達(dá)不到技術(shù)條件的要求；加A1不僅因?yàn)樵黾恿甩?#39;數(shù)量而顯著提高合金的瞬時(shí)強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，而且使γ'相的組成由Ni3Ti轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3(A1，Ti)，大大提高了合金的穩(wěn)定性；2)選用Ti而不用Nb作為強(qiáng)化元素。這是因?yàn)門(mén)i的強(qiáng)化效果比Nb更顯著，當(dāng)Nb含量較低時(shí)強(qiáng)化不明顯，要使強(qiáng)度達(dá)到技術(shù)條件要求，Nb含量必須高于1.2％，而Ti含量?jī)H需0.8％，同時(shí)Nb在合金中的偏析程度高于Ti的，含1.6％Nb時(shí)，不僅形成大塊NbC，而且合金中還形成相；3)合金中加入微量B。合金中含0.005％B時(shí)，持久壽命即由不含B的130h提高到500h，B含量增加到0.01％時(shí)，壽命增加到700hl加B不僅使晶界M23C6相細(xì)塊化，且生成顆粒狀MB：相，明顯強(qiáng)化了晶界，持久斷裂由典型的沿晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲?，因此使合金的持久壽命和持久塑性大幅度提高?)加入0.05％稀土元素，可獲得最佳拉伸性能和持久性能。采取上述4項(xiàng)改善措施后，GH2035A合金的高溫拉伸性能顯著提高，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，GH2035A合金與GH1035合金在900℃的拉伸性能比較時(shí)，兩者的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相當(dāng)，而前者的拉伸伸長(zhǎng)率為101％，后者的為60％～65％。從圖3還可看出，溫度更高，GH2035A合金的高溫塑性更好。這說(shuō)明GH2035A合金熱加工性能更好，不易出現(xiàn)鍛造裂紋。因此，GH2035A合金的綜合性能要明顯優(yōu)于GH1035合金的，全部解決了GH1035合金存在的3大技術(shù)難題。1990年GH2035A合金獲得了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利證書(shū)(ZL90110284.9)[10]。
2.2在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
GH2035A合金制作的I級(jí)渦輪內(nèi)環(huán)、外環(huán)、止動(dòng)環(huán)、支承環(huán)和Ⅱ級(jí)分瓣渦輪外環(huán)等6種零件，從1987年開(kāi)始，正式裝用于WJ5A1發(fā)動(dòng)機(jī)，至1991年4月已出廠208臺(tái)，裝于運(yùn)七飛機(jī)，在全國(guó)15個(gè)機(jī)場(chǎng)投入飛行。總飛行時(shí)間已超過(guò)20×10h，單臺(tái)最長(zhǎng)飛行時(shí)間3099h，無(wú)任何故障。
此外，該合金還用于制作5種WJ5、WJ5A發(fā)動(dòng)機(jī)零件和4種TB2.117A發(fā)動(dòng)機(jī)零件投入使用。
GH2035A合金不僅解決了WJ5系列發(fā)動(dòng)機(jī)急需的重要高溫材料，使該系列發(fā)動(dòng)機(jī)的正常生產(chǎn)及WJ5AI發(fā)動(dòng)機(jī)的延壽工作得以進(jìn)行，而且它填補(bǔ)了我國(guó)高塑性鍛材的空白，具有優(yōu)異的熱加工性能和抗氧化性能，在其它發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)中也可推廣應(yīng)用。“WJ5AI發(fā)動(dòng)機(jī)用GH2035A合金”在1990年獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，1991年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。
3、渦輪葉片用DZ417G合金
定向凝固鎳基柱晶高溫合金DZ417G是我國(guó)先進(jìn)的第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓一、二級(jí)渦輪葉片材料，從1993年項(xiàng)目論證，1994年國(guó)家計(jì)委正式立項(xiàng)，至2005年年底通過(guò)技術(shù)鑒定，前后13年，本研究組進(jìn)行了系統(tǒng)研究，全面完成了研制任務(wù)。DZ417G合金是在K417G合金基礎(chǔ)上研發(fā)成功的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利合金[11]。與K417G合金相比，DZ417G合金具有獨(dú)到特點(diǎn)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下方面。
3.1化學(xué)成分中不加Zr而控制P含量
3.1.1不加對(duì)熱裂有害的zr元素
表6所列為DZ417G合金和K417G合金的化學(xué)成分。從表6可見(jiàn)，DZ417G合金的化學(xué)成分最大特點(diǎn)是去掉了約0.7％Zr。本研究組的工作表明[12]，去掉了
zr對(duì)DZ417G合金的室溫和900℃拉伸性能以及760℃和980℃持久性能沒(méi)有明顯影響。由于元素zr強(qiáng)烈偏析于晶界，使凝固溫度區(qū)間增大，促進(jìn)晶界疏松形成，有利于縱向熱裂紋形成，因此去掉Zr元素可顯著抑制定向凝固過(guò)程中的熱裂傾向，相應(yīng)地，定向凝固工藝制備渦輪葉片的合格率大為提高。
3.1.2利用P的有益作用
高溫合金，特別是鑄造高溫合金，通常都把P看作是有害雜質(zhì)，希望P含量愈低愈好，中科院金屬研究所研制成功的低偏析高溫合金就是一個(gè)典型的實(shí)例。本研究組研究了P含量對(duì)DZ417G合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，P含量對(duì)DZ417G合金持久性能影響最明顯(見(jiàn)圖4)。P含量為0.003％～0.015％時(shí)，DZ417G合金持久時(shí)間達(dá)到峰值，相應(yīng)持久塑性也很好。相關(guān)技術(shù)條件規(guī)定P含量≤0.005％，而根據(jù)幾十爐DZ417G母合金的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工業(yè)生產(chǎn)的母合金的P含量都在0.003％-0.005％范圍，因此，沒(méi)有必要把P含量降到0.0005％以下，控制P含量在一個(gè)合適的低水平范圍即可。
DZ417G合金的S和Fe等有害元素都較K417G合金的低，有利于提高力學(xué)性能。
3.2采用最佳熱處理制度 提高細(xì)小γ'相數(shù)量
通過(guò)系統(tǒng)研究，采用的最佳熱處理制度為(1220℃，2h，AC)+(980℃，16h，AC)。對(duì)于DZ417G合金，固溶處理溫度愈高，細(xì)小γ'相數(shù)量愈多，因而持久時(shí)問(wèn)愈長(zhǎng)，見(jiàn)圖5[11]，但固溶處理溫度高達(dá)1240℃，明顯降低拉伸塑性，所以選定固溶處理溫度為1220℃。時(shí)效處理溫度選定為980℃，是因?yàn)樵摐囟葧r(shí)效處理持久時(shí)間最長(zhǎng)，見(jiàn)表7[11]，而K417合金則不需要熱處理，在鑄態(tài)下直接使用。
3.3采用定向凝固工藝制成定向柱晶組織改善力學(xué)性能
定向凝固柱晶高溫合金組織的最大特點(diǎn)是晶粒沿主應(yīng)力方向呈柱狀晶排列，柱晶取向通常為<001>，并且消除了橫向晶界。工業(yè)生產(chǎn)中柱晶取向與主應(yīng)力方向之間有一定偏差，通?？刂圃?0~-15。以?xún)?nèi)。等軸晶高溫合金(包括變形和鑄造高溫合金)在高溫應(yīng)力狀態(tài)，晶界成為薄弱環(huán)節(jié)，而那些與主應(yīng)力軸垂直的橫向晶界，受到的正向拉應(yīng)力最大，因而成為裂紋的形核與擴(kuò)展的有利位置。定向凝固柱晶高溫合金消除了橫向晶界，對(duì)于合金力學(xué)性能的改善是十分有利的。DZ417G合金制成定向柱晶合金后力學(xué)性能明顯提高。
3.3.1蠕變斷裂性能的提高
DZ417G定向凝固柱晶高溫合金由于消除了薄弱的橫向晶界，只有平行于主應(yīng)軸的縱向晶界，因而推遲了蠕變裂紋的形核與擴(kuò)展，使蠕變斷裂時(shí)間(持久時(shí)間)明顯延長(zhǎng)；同時(shí)，使第三階段蠕變應(yīng)變明顯增加，因而使蠕變斷裂塑性(持久塑性)明顯改善。例如在900℃，300MPa條件下，定向柱晶合金的持久時(shí)間比同一成分的等軸晶合金的高出1倍，而其持久塑性則高出2倍，如表8所列[1]。
3.3.2抗冷熱疲勞性能的改善
對(duì)于定向凝固DZ417G合金，<001>取向的縱向彈性模量E值為134GPa，橫向彈性模量E值為155GPa，而同成分等軸晶合金為201GPa。在1000℃保溫100S，在25℃水中冷卻35S條件下，經(jīng)338次循環(huán)后，DZ417G合金橫向試樣(其缺口方向?yàn)?001))和縱向試樣(缺口方向?yàn)榉?001))的裂紋長(zhǎng)度。結(jié)果表明，橫向試樣裂紋長(zhǎng)度為1.0rain，而縱向試樣裂紋長(zhǎng)度達(dá)3_3mnl。也就是說(shuō)，橫向試樣的熱疲勞裂紋長(zhǎng)度僅為縱向試樣的三分之一，具有最低彈性模量的(001)取向的橫向試樣的抗冷熱疲勞性能最好[1。這是因?yàn)槔錈崞谛阅艿暮脡娜Q于材料環(huán)境溫度變化△T的大小。而環(huán)境溫度的變化必然在材料內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力Act,A訶
以由下式估算：
式中：為線膨脹系數(shù)，E為彈性模量。可見(jiàn)在和△相同或相近的情況下，E值越小，其熱應(yīng)力的變化Aa也越小，因而材料的冷熱疲勞壽命越長(zhǎng)，抗冷熱疲勞性能越好。
定向凝固柱晶高溫合金，晶粒的(001)取向平行于主應(yīng)力方向。而(ore>取向的彈性模量與其他方向比較是最低的，而且比等軸晶材料要低30％～35％，也就是在同樣熱循環(huán)中所承受的Aa也比等軸晶材料所承受的△低30％～35％，這樣就延長(zhǎng)了熱疲勞壽命。
3.4DZ417G合金的特點(diǎn)與應(yīng)用
DZ417G合金的特點(diǎn)如下。
1)DZ417G合金成分簡(jiǎn)單，不含稀缺貴重金屬元素，因而該合金密度小、成本低。
2)DZ417G合金從室溫至高溫瞬時(shí)拉伸性能良好，無(wú)缺口敏感性，橫向性能優(yōu)異，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)是室溫至高溫的拉伸塑性?xún)?yōu)異，且室溫沖擊韌性高。
DZ417G合金的拉伸性能明顯優(yōu)于DZ404和DZ422合金的[15]。
3)DZ417G合金的持久強(qiáng)度滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。DZ417G合金的持久強(qiáng)度與國(guó)外第二代柱晶合金DSCM247LC和國(guó)內(nèi)DZ404合金處于同一水平，比強(qiáng)度與DZ422的相同，且持久塑性明顯高于DZ404合金的[15]。
4)DZ417G合金的室溫與高溫疲勞性能良好，與DZ422和DZ4125合金處于同一水平，但高于DZ404合金。DZ417G合金的冷熱疲勞性能優(yōu)于DZ404合金的[15]。
5)高溫長(zhǎng)期時(shí)效后，DZ417G合金的組織和力學(xué)性能穩(wěn)定，合金中相質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在60％，力學(xué)性能滿足要求[15]。
6)DZ417G合金的高溫抗氧化性能滿足要求，抗熱腐蝕性?xún)?yōu)于DZ404合金的。
7)DZ417G合金綜合性能優(yōu)異，已用作先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓一、二級(jí)渦輪葉片等零件，投入批量生產(chǎn)[14]。
DZ417G合金及其它3種高溫合金以“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓渦輪6種葉片用4種高溫合金及工藝研究”項(xiàng)目于2008年獲中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，并被推薦評(píng)審為國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
4、過(guò)熱器管材用鐵基高溫合金GH2984
本研究組[16-17]于20世紀(jì)60年代末開(kāi)始研制一種適合我國(guó)高參數(shù)艦船主鍋爐過(guò)熱器管長(zhǎng)期使用的新型鐵基高溫合金GH2984。至20世紀(jì)70年代研制成功并生產(chǎn)用于新型主鍋爐過(guò)熱器管材，裝載艦船并經(jīng)十年海上實(shí)際使用考核。全面檢查表明，GH2984合金管完好無(wú)損，還可繼續(xù)使用[16]。GH2984合金是過(guò)熱器管的主要用材，其主要性能與美國(guó)特殊金屬公司2003年正式公布的鎳基合金Inconel740合金處于同一水平，而價(jià)格要便宜得多，這也為我國(guó)高參數(shù)超超臨界機(jī)組早已作好了過(guò)熱器和再熱器材料的技術(shù)儲(chǔ)備。GH2984合金的主要特點(diǎn)有如下幾方面[16]。
4.1GH2984合金的化學(xué)成分特點(diǎn)
與國(guó)外類(lèi)似高蒸汽參數(shù)過(guò)熱器管材合金比較，GH2984合金中不含Co，而Inconel740、Inconel617和Nimonic263等合金都含有12％~21％Co。而且GH2984合金含F(xiàn)e達(dá)32％～34％，相應(yīng)Ni含量減少，其他合金中Fe均為雜質(zhì)元素，如表9所列。GH2984合金的成分特點(diǎn)將帶來(lái)十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
4.2GH2984合金優(yōu)異的力學(xué)性能
GH2984合金的室溫至高溫拉伸強(qiáng)度以及650～750℃持久強(qiáng)度非常良好，其室溫和700℃拉伸強(qiáng)度明顯高于常用高性能管材合金Inconel625和Nimonic263的，如表10所列[1]。其持久強(qiáng)度高于Nimonic263合金的，與Inconel625合金的相近。其3萬(wàn)小時(shí)和l0萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度在700℃時(shí)與Inconel740合金的處于同一水平，而其在650和750℃時(shí)的持久強(qiáng)度也基本與Inconel625和Nimonic263合金的處于同一水平，如圖6所示[13]。
4.3GH2984合金良好的耐蝕性
由于合金的cr含量達(dá)18％~20％，可以形成致密而牢固的Cr20為主的氧化膜，所以抗氧化性和抗熱腐蝕性良好。表11列出了GH2984合金經(jīng)700～900℃氧化100h的氧化速率數(shù)據(jù)[1鍆。由表11可知，700℃的平均氧化速率僅為0.0058(m2·h)，遠(yuǎn)小于艦船對(duì)合金材料的氧化速率低于0.009～0.15g/(m2.h)的要求，明顯優(yōu)于同類(lèi)型鐵基合金GH2135和GH1140的氧化速率。
將3種合金置于25％NaCI+75％Na2SO4熔鹽強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)650～820℃保溫3h，測(cè)得熱腐蝕質(zhì)量損失。結(jié)果表明(見(jiàn)表12)，GH2984合金的腐蝕速率在750℃以下，與對(duì)比試樣GH1140和GH2135合金腐蝕速率基本相當(dāng)，750℃以上GH2984合金的耐熱腐蝕性能最好。單管燃?xì)飧g用燃料為艦船燃?xì)廨啓C(jī)使用的輕柴油，鹽霧用配制的人造海水加入，為加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，采用高鹽濃度(10)，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃，時(shí)間為25h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表12)表明，GH2984合金的抗熱腐蝕性能比GH2135合金的好，與GH1140合金的相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鎳基鑄造高溫合金K403的，如表12所列[16]。
另外，GH2984合金的抗晶間腐蝕性能優(yōu)異，在各種不同熱處理狀態(tài)或焊接后都不發(fā)生晶界腐蝕。
4.4GH2984合金穩(wěn)定的顯微組織
研究結(jié)果表明，GH2984合金經(jīng)700℃、(0.1～1.8)×10h長(zhǎng)期時(shí)效后的組織和力學(xué)性能比較穩(wěn)定，滿足大型艦船及超超臨界電站鍋爐長(zhǎng)期使用的需要。
GH2984合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，奧氏體基體的晶粒度為4～6級(jí)，晶界析出相較少，γ'相呈球形，彌散均勻分布于y基體，γ'相直徑約23nlTl，數(shù)量為5.74％，
是合金的主要強(qiáng)化相。此外，還有少量MC相，包括NbC，Ti，C)，它們是凝固結(jié)晶過(guò)程中析出的，分布于晶內(nèi)和晶界，尺寸大小為1-10μm，在GH2984合金中的數(shù)量為0.52％。
GH2984合金經(jīng)700℃不同時(shí)間長(zhǎng)期時(shí)效后，y相顆粒半徑隨時(shí)效時(shí)間t1/3。呈直線增加，遵循一般顆粒長(zhǎng)大速率的擴(kuò)散控制粗化動(dòng)力學(xué)規(guī)律，相的數(shù)量緩慢增加，到18×10h增加至7.23％(見(jiàn)表13)。相數(shù)量的增加補(bǔ)償了)，相長(zhǎng)大對(duì)合金強(qiáng)度的影響。γ'相成分的分析表明，長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中γ'相化學(xué)組成變化不大。
GH2984合金在700℃長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中，NbC和Ti(CN)等碳化物的數(shù)量略有增加(見(jiàn)表13)[17]，由標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)的0.52％增加至18×10h的0.66％，且化
學(xué)成分基本不變，只是在18×10h時(shí)效后，碳化物中有少量Cr出現(xiàn)，顯然是M23C6在晶界沉淀增多的結(jié)果。電鏡觀察表明，晶界上析出一些塊狀MC和相，前者可阻止晶界滑動(dòng)，有利于持久強(qiáng)度的提高，后者由于數(shù)量少，且以塊狀或顆粒狀占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，對(duì)力學(xué)性能影響很小。
4.5GH2984合金的成形工藝性能
GH2984合金的冷熱壓力加工性能好，特別是管材成形性能優(yōu)異。由900～1300℃的高溫沖擊、高溫拉伸、高溫墩粗和高溫扭轉(zhuǎn)及晶粒長(zhǎng)大傾向性的系統(tǒng)試驗(yàn)表明，GH2984合金高溫塑性良好，變形抗力低，熱加工溫度范圍寬，晶粒長(zhǎng)大傾向性小[18]。
GH2984合金熱穿管坯料的加熱溫度為1100℃，穿管時(shí)溫度升高達(dá)1160～1180℃，穿出的荒管質(zhì)量較好，成品率較高。各種工藝參數(shù)控制得當(dāng)時(shí)，穿管成品率可達(dá)100％，GH2984合金冷軋冷拔工藝性能與1Cr18Ni9Ti合金的相似，無(wú)論是采用單一的冷軋或冷拔工藝，還是采用冷軋與冷拔聯(lián)合工藝，進(jìn)行冷變形時(shí)均可獲得表面質(zhì)量和尺寸公差符合要求(YB804—20)的標(biāo)準(zhǔn)鋼管。
GH2984合金管的擴(kuò)口性能良好，在不同熱處理制度下均能很好地?cái)U(kuò)口，擴(kuò)口率達(dá)38％。同時(shí)，管子壓扁性能也很好，管壁間距達(dá)壁厚的3~4倍，也無(wú)任何問(wèn)題。彎管實(shí)驗(yàn)在彎管機(jī)上進(jìn)行，彎管半徑為65mm，彎管角度為180。，彎管性能良好，表面光滑無(wú)裂紋。
GH2984合金管的脹管性能極好，特別適于艦船用脹接式過(guò)熱器的制作。脹管實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表14[16]，脹管后經(jīng)400、600、1000和1200N/cm水壓打壓后，滴水不漏，表明脹管性能優(yōu)異，在艦船上實(shí)際安裝工藝性能試驗(yàn)證明，GH2984合金管與15CrMo合金管脹接時(shí)，脹管率在1.4％-4.4％之間，GH2984合金管沒(méi)有發(fā)生起皮和裂紋等問(wèn)題，滿足冷態(tài)下的脹接與超壓試壓需要，完全符合鍋爐冷態(tài)安裝技術(shù)要求，也能滿足超級(jí)超臨界電站鍋爐過(guò)熱器制造需要。
4.6GH2984合金的應(yīng)用
GH2984合金力學(xué)性能和化學(xué)性能優(yōu)異，工藝性能良好，長(zhǎng)期組織和力學(xué)性能穩(wěn)定，是一種成本低廉的過(guò)熱器管材用鐵基高溫合金，適于制作艦船用鍋爐過(guò)熱器，也可制作超級(jí)超臨界電站鍋爐用過(guò)熱器和再熱器。1992年“GH2984艦船用鍋爐過(guò)熱器高溫管材合金”獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
5、艦用燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向葉片用5種抗熱腐蝕高溫合金
2001年，本研究組承擔(dān)了一種先進(jìn)艦用燃?xì)廨啓C(jī)全部渦輪葉片和導(dǎo)向葉片用5種抗熱腐蝕高溫合金K444、K435、K452、K446和GH4413的研制。通過(guò)相計(jì)算和熱腐蝕微觀機(jī)制等基礎(chǔ)研究，確定了合金的最佳成分控制范圍，通過(guò)控制固溶處理冷卻速率，調(diào)整主要強(qiáng)化相y相的尺寸和晶界碳化物的形態(tài)，解決了上述高cr、W、Mo含量合金的室溫和中溫低塑性的技術(shù)難題。鑄造鎳基合金K444為1～2級(jí)渦輪葉片材料，屬于BC合金。鑄造鎳基合金K435為3,-4級(jí)渦輪葉片材料。變形鎳基高溫合金GH4413為5-6級(jí)渦輪葉片材料。鑄造鎳基高溫合金K452為1-6級(jí)導(dǎo)向葉片材料。鑄造鎳基合金K446是燃?xì)廨啓C(jī)整流支柱用材料。所有這5種合金均屬抗熱腐蝕高溫合金，2005年通過(guò)了技術(shù)鑒定。目前已批量提供母合金及熱軋棒材，制備出全部6級(jí)渦輪葉片和導(dǎo)向葉片以及整流支柱零件，并已通過(guò)850h長(zhǎng)期試車(chē)考核。
2003年，K444合金還被選作R0110重型燃機(jī)1~4級(jí)渦輪葉片材料，K452合金還被選作這種重型燃?xì)廨啓C(jī)1~4級(jí)導(dǎo)向葉片材料，K446合金同樣被選作這種重型燃?xì)廨啓C(jī)的整流支柱材料。今年將生產(chǎn)兩臺(tái)R0110重型燃機(jī)正式用于發(fā)電生產(chǎn)。與航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金一樣，抗熱腐蝕高溫合金要求具有良好的力學(xué)性能和化學(xué)性能，此外，還特別要求抗熱腐蝕性能優(yōu)異，長(zhǎng)期組織和力學(xué)性能的穩(wěn)定性特別好。本研究組研制的5種抗熱腐蝕高溫合金的主要化學(xué)成分見(jiàn)表15[19]。由表15可見(jiàn)，本研究組研制的5種抗熱腐蝕高溫合金與西方國(guó)家同類(lèi)合金比較，不含Ta是最大的特點(diǎn)。因此，這些合金的成本比含鉭合金的要低得多。例如，合金中如含2％Ta，那么成本將增加12～20萬(wàn)元/t，顯然不含Ta的抗熱腐蝕合金所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。5種抗熱腐蝕高溫合金雜質(zhì)元素的含量控制到了國(guó)內(nèi)所有高溫合金的最低水平，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，而有益微量元素的加入種類(lèi)和數(shù)量有創(chuàng)新，是化學(xué)成分中的最大特點(diǎn)。
5.1合金的優(yōu)異抗熱腐蝕性能
抗熱腐蝕高溫合金性能的最大特點(diǎn)是抗熱腐蝕性能優(yōu)異。本研究組研制的鎳基合金K435、K452和K444合金的抗熱腐蝕性能都優(yōu)于K438合金的(見(jiàn)表16)。表16[19]表明：K435、K444和K452合金的抗熱腐蝕性能都明顯優(yōu)于K438合金的，而K438合金即IN738合金是西方的王牌抗熱腐蝕高溫合金。K435、K444與K438合金的Cr含量基本相同，但前兩合金fW+Mo)含量為7.2％，W/Mo比為2.75，較K438合金相應(yīng)的4.4％和1.44要高得多，同時(shí)，前兩合金(Al+Ti)
含量為7.4％，相數(shù)量約為50％，Ti/A1為1.64，而K438合金的相應(yīng)值為6.8％，47％—49％和0.94。在γ'相數(shù)量相近的情況下，W/Mo比和Ti/A1比高對(duì)抗熱腐蝕性能有益。而K452合金與K438合金比較，最突出的特點(diǎn)是Cr含量更高，為21％，高于K438合金的16％，同時(shí)W/Mo比與Ti/A1比都比較高，K452合金顯示出更優(yōu)異的抗熱腐蝕性能[19]。
抗熱腐蝕鎳基變形高溫合金GH4413的Cr含量在15％左右，較航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用變形合金渦輪葉片材料GH4049的cr含量(10％左右)提高約5％，而且)，相含量?jī)H為29％，較GH4049合金的36％要低7％，同時(shí)，W/Mo比也較高。所以，GH4413合金的抗熱腐蝕性能在850℃時(shí)較GH4049合金的要好(見(jiàn)表17)[14]。前者用作艦用燃?xì)廨啓C(jī)的5～6級(jí)渦輪葉片，而后者大多用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)1級(jí)渦輪葉片。
5.2合金的穩(wěn)定力學(xué)性能
抗熱腐蝕高溫合金性能的另一特點(diǎn)是高溫長(zhǎng)期暴露力學(xué)性能穩(wěn)定?？篃岣g高溫合金由于在高溫長(zhǎng)期時(shí)效或長(zhǎng)期使用過(guò)程中組織穩(wěn)定，通常僅有γ'相的緩慢長(zhǎng)大和數(shù)量增加以及碳化物少量變化，沒(méi)有TCP相的大量析出，因而力學(xué)性能不出現(xiàn)急劇降低的情況。圖7[20-21]所示為K435、K452、K444和GH4413合金在其使用溫度進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10000h的持久試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知，除K444合金外，其它3個(gè)合金持久曲線沒(méi)有拐點(diǎn)，證明持久性能穩(wěn)定。K444合金屬電子空穴數(shù)臨界值邊緣合金，由于在持久試驗(yàn)過(guò)程組織中形成相，900℃曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，但在化學(xué)成分范圍內(nèi)嚴(yán)格控制元素含量，可以避免盯相析出。圖8[22]表明，導(dǎo)向葉片用抗熱腐蝕鑄造鎳基高溫合金K452經(jīng)800～900℃時(shí)效10000h后，900℃抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性變化不大。
5.3抗熱腐蝕高溫合金的應(yīng)用
采用本研究組研制的5種抗熱腐蝕高溫合金制造的零部件己裝備在一種先進(jìn)艦用燃?xì)廨啓C(jī)上，并通過(guò)了850h長(zhǎng)期試車(chē)考核和技術(shù)評(píng)審，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。
這種發(fā)動(dòng)機(jī)還可用作天然氣輸送管線的加壓系統(tǒng)，或用于民用發(fā)電。采用K444和K452合金制成的R0110燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向葉片也已通過(guò)試車(chē)考核，即將用于民用發(fā)電。
6、結(jié)論
1)GH2135合金具有良好的低周疲勞性能以及屈服強(qiáng)度隨溫度的反常行為，特別適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的第一個(gè)渦輪盤(pán)鐵基高溫合金。
2)GH2035A合金具有良好的拉伸和持久性能，特別是高溫塑性和熱加工性能優(yōu)異，適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪環(huán)形件，是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利合金。
3)DZ417G合金具有強(qiáng)度高、塑性好、組織穩(wěn)定、密度低等特點(diǎn)，特別適于制作先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，也是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利合金。
41GH2984合金具有長(zhǎng)達(dá)100000h的良好持久性能和耐蝕性能，以及優(yōu)異的冷、熱加工性能，而且成本低廉，適于制作艦船和高參數(shù)超超臨界鍋爐用過(guò)熱器和再熱器管材，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鐵一鎳基高溫合金。
5)K444、K435、K452、K446和GH4413等5種抗熱腐蝕高溫合金的最大特點(diǎn)是抗熱腐蝕性能優(yōu)異，長(zhǎng)期組織和力學(xué)性能穩(wěn)定性良好，適于制作艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用渦輪葉片、導(dǎo)向葉片和整流支柱等高溫結(jié)構(gòu)件。這5種合金在微量元素的種類(lèi)和數(shù)量控制上有創(chuàng)新，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
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