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GH4202(GH202)沉淀强化型变形高温合金的分析与研究
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合金中加人ω(Al+Ti)4%形成γ’时效强化相,加入ω(W+Mo)9%进行固溶强化,添加少量硼和铈元素强化和净化晶界,合金具有良好的综合力学性能,组织稳定,具有较高的耐腐蚀和抗氧化性能。
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低膨胀高温合金应用及发展历史
与此同时,美国Haynes公司还开发了全新的Ni-Mo-Cr,即Haynes242,该合金利用一种长程有序结构获得强化,同时由于该合金中含有8%wt的Cr元素,因此具有较好的抗氧化性能,图2显示的是GH2907、GH2909与GH416,α是具有反常热膨胀合金的膨胀系数。
αn 是在正常情况下的膨胀系数,K比例常数,Ms是合金的饱和磁化强度,Tc是合金的居里点温度,式1中说明,由于KMs/Tc项起了补偿抵消或过补偿晶格振动的热。
使因瓦合金的值很低,近于零或负值,此式还说明若要因瓦效应反常显著,就必须K值大(即磁致伸缩效应大)合金的饱和磁化强度,低膨胀高温合金是一种具有较低的膨胀系数和较高高温强。
其获得低膨胀系数原理是基于Fe-Ni合金的“因瓦效,即Fe-Ni合金中镍含量达到约36%Wt时,由于合金的“磁致收缩”效应会抵消合金膨胀产生的体积,使得线膨胀系数较低,从物理学方面看,金属的热膨胀是晶格非简谐振动的结果。
绝大多数金属与合金的热膨胀系数随温度的变化是有规律,如图4所示,这种情况为正常膨胀,但是对于铁磁性的金属和合金如铁、钴、镍及其合金,会在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰,这些现象称为反常膨胀。
镍和钴的热膨胀峰向上(为正),称为正反常,而铁的热膨胀峰向下(为负),称为负反常,由于正负反常膨胀的存在,几种铁磁性金属元素按不同的比例组合就会出现因瓦效应,九十年代以来。
航空工业的迅猛的发展,普通型低膨胀高温合金已很难满足高推重比航空发动机的,因此,各国的高温合金工作者开始研制抗氧化型的低膨胀高温合,其中,比较典型的有Inconel公司的EXP4005 合。
它首次在低膨胀高温合金中添加大量Al元素,使合金的强度和抗氧化性能得到明显提高,同年又研制出了钴基的Inconel783合金,该合金是在EXP4005 合金的基础上通过优化合金,在合金膨胀系数没有显著提高的同时,进一步提高了合金的抗氧化性能和抗裂纹扩展能力。
上世纪七十年代初,美国 Inconel公司研制出了Incoloy90,该合金能在较宽的温度范围内保持低的线膨胀系数,但是抗腐蚀、抗氧化能力差,缺口持久性能低,并且存在应力加速晶界氧化脆性倾向,为了解决合金的缺口敏感性问题,七十年代后期开发了Incoloy907合金。
它是在Incoloy903的基础上优化了合金成分,但仍存在应力加速晶界氧化脆化问题,为此,上世纪八十年代初,在Incoloy907的成分基础上,通过增加Si元素含量,开发出了Incoloy909合金,在美国、欧洲等国。
低膨胀高温合金被大量用于航空发动机中,如 CFM56、V2500和F101等发动机,都采用了低膨胀高温合金来制造机匣、转子封严环、蜂窝,用量甚至占发动机总重量的25%以上,此外,在航天发动机中也应用了低膨胀高温合金。
如火箭发动机的主燃烧室、涡轮泵和喷嘴等,表1显示的是国外几种比较典型的低膨胀高温合金牌号,包括Incoloy 903、Incoloy 907,1986年,Guillaume在研究36Ni-Fe合金时候,发现该合金在常温附近具有非常低(约为1~2×10-。
就是著名的因瓦效应(Inver effect)如图,镍、铁、钴磁性转变区的膨胀曲线,一般来讲,低膨胀高温合金具有较高的拉伸强度,较低的热膨胀系数(约为普通高温合金的一半),几乎恒定不变的弹性模量,以及良好的冷热疲劳性能和耐高温氢脆性能,但是。
低膨胀高温合金也有一个共同的弱点,就是为了达到所追求的低膨胀系数指标,许多合金中不含或仅含少量的金属元素Cr,所以抗氧化性能普遍较差,高温下长期使用需要采取一定的防护措施(如防护涂层),但是低膨胀高温合金抗氧化性能的提高常常以牺牲其线膨,例如研制发展的抗氧化型低膨胀高温合金的线膨胀系数比,研制既抗氧化并且膨胀系数又较低的低膨胀高温合金是未。
从图可以看出,在 Ni-Fe合金中随金属Ni含量的增加,合金的线膨胀系数几乎直线下降,而且在Ni含量为36%时合金的膨胀系数接近于零,之后随Ni含量的增加合金膨胀系数立即迅速升高,在镍超过50%后基本达到正常,这就是”因瓦效应”。
具有因瓦效应的因瓦合金与普通金属的热膨胀曲线有且仅,这个温度点就是居里点,在居里点以下正常材料的长度随温度的变化dL/L 基,而具有因瓦效应的合金却不同,它们的dL/L 变化非常缓慢。
一直到超过距离点以后才恢复正常,居里点温度是物质铁磁性与顺磁性转变的临界温度,因而目前对这种反膨胀现象都是从物质的磁性行为来解释,因瓦合金大多是富Fe的面心立方的铁磁性,而且几乎所有因瓦合金的因瓦特性都出现在接近面心立方,1937年,M.Masumoto提出铁磁体的热膨胀系数是由两部。
二是在距离点以下的反常热膨胀系数a,把这两段曲线外推到0K时其差值△L/L反映了磁致伸,认为此值正比于Ms(即△L/L=KMs),这样就反映了热磁效应对平均线膨胀系数的贡献,即:a=an+KMs/Tc,在航空发动机中,低膨胀高温合金主要用作涡轮外环、高压压气机机匣、封。
随着航空发动机技术的不断发展,低膨胀高温合金成为航空发动机实现间隙控制技术,减少燃气损失与提高热效率不可替代的一种关键结构材料,一、民用航空发动机低膨胀高温合金机匣应用示意图。
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