產(chǎn)業(yè)角度:我國航空航天高溫合金已從研究到全面大規(guī)模國產(chǎn)化的拐點。需求端方面,我國型號武器裝備在“十三五”已經(jīng)跨過研制定型階段,在“十四五”將進入批量列裝階段,隨之帶動高溫合金材料也會從“多品種、小批量”進入“大規(guī)模批產(chǎn)”階段。供給端方面,我國高溫合金經(jīng)歷從仿制到引進再到自主創(chuàng)新的過程,目前已形成一定規(guī)模擁有較技術(shù)裝備的生產(chǎn)基地
材料特性:高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,具有的高溫強度,良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能
高溫合金國際發(fā)展
從20世紀30年代后期起,英、德、美等國就開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間,為了滿足新型航空發(fā)動機的需要,高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發(fā)展時期。40年代初,英國在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦,形成γ'相以進行強化,研制成種具有較高的高溫強度的鎳基合金。同一時期,美國為了適應活塞式航空發(fā)動機用渦輪增壓器發(fā)展的需要,開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。
此外,美國還研制出Inconel鎳基合金,用以制作噴氣發(fā)動機的燃燒室。以后,冶金學家為進一步提高合金的高溫強度,在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素,增加鋁、鈦含量,研制出一系列牌號的合金,如英國的“Nimonic”,美國的“Mar-M”和“IN”等;在鈷基合金中,加入鎳、鎢等元素,發(fā)展出多種高溫合金,如X-45、HA-188、FSX-414等。由于鈷資源缺乏,鈷基高溫合金發(fā)展受到限制。
40年代,鐵基高溫合金也得到了發(fā)展,50年代出現(xiàn)A-286和Incoloy901等牌號,但因高溫穩(wěn)定性較差,從60年代以來發(fā)展較慢。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金,后來生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。70年代美國還采用新的生產(chǎn)工藝制造出定向結(jié)晶葉片和粉末冶金渦輪盤,研制出單晶葉片等高溫合金部件,以適應航空發(fā)動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。
發(fā)展至今,國際市場每年高溫金屬合金消費量在30萬噸,廣泛應用于各個領(lǐng)域:過去多年,全球航天業(yè)對新能源飛機需求旺盛,空客與波音已有超萬架此類飛機等待交付。而精密機件公司是全球高溫合金復雜金屬零部件和產(chǎn)品制造的,也為航空航天、化學加工、石油和天然氣的冶煉以及污染的防治等行業(yè)提供所需的鎳鈷等高溫合金。精密機件公司就是波音、空客、勞斯萊斯、龐巴迪等航天企業(yè)的零配件制造商
合金強化類型
根據(jù)合金強化類型,高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
⑴固溶強化型
所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中,形成單相奧氏體組織,溶質(zhì)原子使固溶體基體點陣發(fā)生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導致交滑移難于進行,合金被強化,達到高溫合金強化的目的。
⑵時效沉淀強化
所謂時效沉淀強化即合金工件經(jīng)固溶處理,冷塑性變形后,在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金,在650℃的高屈服強度達1 000 MPa,制作葉片的合金溫度可達950℃。
主要應用
1、航空航天領(lǐng)域
我國發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)研制發(fā)動機,將帶來市場對和新型高溫合金的需求增加。
航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”,是航空工業(yè)中技術(shù)含量高、難度大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機,特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中高的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發(fā)動機熱端部件的一類關(guān)鍵材料。在的航空發(fā)動機中,高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
在現(xiàn)代的航空發(fā)動機中,高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%。在航空發(fā)動機上,高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件;此外,還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領(lǐng)域
高溫合金在能源領(lǐng)域中有著廣泛的應用。煤電用高參數(shù)超超臨界發(fā)電鍋爐中,過熱器和再過熱器使用抗蠕變性能良好,在蒸汽側(cè)抗氧化性能和在煙氣側(cè)抗腐蝕性能的高溫合金管材;在氣電用燃氣輪機中,渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領(lǐng)域中,蒸汽發(fā)生器傳熱管選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節(jié)能減排領(lǐng)域,廣泛采用抗高溫熱腐蝕和抗高溫磨蝕性能的高溫合金;在石油和天然氣開采,特別是深井開采中,鉆具處于4-150 ℃的酸性環(huán)境中,加之CO2,H2S和泥沙等的存在,采用耐蝕耐磨高溫合金 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發(fā)電設備制造集團在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高,拉動了對發(fā)電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產(chǎn)化研制的新一代發(fā)電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展,實現(xiàn)量產(chǎn)后將帶動對高溫合金的需求。同時,核電設備的國產(chǎn)化,也將拉動對國產(chǎn)高溫合金的需求。
發(fā)展前景
1、含錸單晶葉片的研究在單晶的成分設計中,要兼顧合金性能和工藝性能,由于單晶中不存在晶界,并應用在較為苛刻的環(huán)境下,所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發(fā)展,合金的化學成分具有如下變化趨勢:引入Re元素,引入Ru、Ir等鉑族元素,增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量;難熔元素的加入總量增加,C、B、Hf等元素從“完全去除”轉(zhuǎn)為“使用”;降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩(wěn)定。含錸單晶葉片大幅提升了其耐溫能力及蠕變強度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4,GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與代單晶合金相比,通過加入3%的錸元素、適當增大了鈷和鉬元素的含量,使其工作溫度提高了30℃,持久強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。含錸單晶葉片是未來航空發(fā)動機渦輪葉片的趨勢。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高,從而很快得到了航空燃氣渦輪發(fā)動機界的普遍認可,幾乎所有航空發(fā)動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片。
研發(fā)航天航空用精密高溫合金棒材光圓棒GH4738
更新時間:2024-10-25 09:59:02
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