高溫合金管提高強度的方法

高溫合金應(yīng)具有高的蠕變強度和持久強度（見蠕變）、良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能（見疲勞）、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能以及組織穩(wěn)定，其中以蠕變強度和持久強度最為重要。提高高溫合金強度的途徑有：

固溶強化 加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變,加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素擴散速率的元素（鎢、鉬等），以強化基體。

沉淀強化 通過時效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ┡、γ"、碳化物等），以強化合金（見合金相）。γ┡相與基體相同,均為面心立方結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)與基體相近，并與晶體共格,因此γ┡相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出,阻礙位錯運動,而產(chǎn)生顯著的強化作用。γ┡相是A3B型金屬間化合物，A代表鎳、鈷，B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢，而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ┡相為Ni3(Al,Ti)。γ┡相的強化效應(yīng)可通過以下途徑得到加強：①增加γ┡相的數(shù)量；②使γ┡相與基體有適宜的錯配度，以獲得共格畸變的強化效應(yīng)；③加入鈮、鉭等元素增大γ┡相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯切割的能力；④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ┡相的強度。γ"相為體心四方結(jié)構(gòu)，其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯配度較大,能引起較大程度的共格畸變，使合金獲得很高的屈服強度。但超過700℃,強化效應(yīng)便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ┡相，而用碳化物強化。

晶界強化 在高溫下，合金的晶界是薄弱環(huán)節(jié)（見界面），加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強度。這是因為稀土元素能凈化晶界，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過程中晶界擴散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促進晶界第二相球化。另外，鑄造合金中加適量的鉿，也能改善晶界的強度和塑性。還可通過熱處理在晶界形成鏈狀分布的碳化物或造成彎曲晶界，提高塑性和強度。

氧化物彌散強化 通過粉末冶金方法，在合金中加入高溫下仍保持穩(wěn)定的細小氧化物,呈彌散分布狀態(tài),從而獲得顯著的強化效應(yīng)。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。這些氧化物是通過阻礙位錯運動和穩(wěn)定位錯亞結(jié)構(gòu)等因素而使合金得到強化的。

典型牌號 70年代典型的綜合性能較好的高溫合金牌號及其化學成分見表。就高溫下持久強度來說，鎳基合金最高，鈷基合金次之,鐵基合金較低（圖2）。

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，英國首先在 80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ┡相以進行強化，研制成第一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(yīng)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。中國從1956年開始試制高溫合金,逐漸形成“GH”系列的變形高溫合金和“K”系列的鑄造高溫合金。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(yīng)航空發(fā)動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。

變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。

1、固溶強化型合金

使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機燃燒室、機匣等部件。

2、時效強化型合金

使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機的渦輪盤與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。

變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。

高溫合金管鑄造高溫合金管

鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：

1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使γ’含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。

2.具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。

根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機中的擴壓器機匣及航天發(fā)動機中各種泵用復雜結(jié)構(gòu)件等。

第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機的一級渦輪葉片。

隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。

高溫合金管粉末冶金高溫合金管

采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。

FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應(yīng)力水平較高的發(fā)動機的使用要求,是高推重比發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

高溫合金管氧化物彌散強化(ODS)合金管

是采用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。

已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的主要有三種ODS合金：

MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動機燃燒室內(nèi)襯。

MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃并保持相當高的高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機導向器蓖齒環(huán)和導向葉片。

MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動機葉片。

高溫合金管金屬間化合物高溫材料

金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強化、力學性能以及應(yīng)用研究方面取得了令人矚目的成就。

Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點，可以使結(jié)構(gòu)件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小于600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。

高溫合金管環(huán)境高溫合金管

在民用工業(yè)的很多領(lǐng)域，服役的構(gòu)件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。

1、高溫合金母合金系列

2、抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件

3、高強度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件

4、耐玻璃腐蝕系列產(chǎn)品

5、環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列

6、特種精密鑄造零件(葉片、增壓渦輪、渦輪轉(zhuǎn)子、導向器、儀表接頭)

7、玻棉生產(chǎn)用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌

9、閥門座圈

10、鑄造“U”形電阻帶

11、離心鑄管系列

12、納米材料系列產(chǎn)品

13、輕比重高溫結(jié)構(gòu)材料

14、功能材料(膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列)

15、生物醫(yī)學材料系列產(chǎn)品

16、電子工程用靶材系列產(chǎn)品

17、動力裝置噴嘴系列產(chǎn)品

18、司太立合金耐磨片

19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

制造工藝不含或少含鋁、鈦的高溫合金，一般采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時，元素燒損不易控制，氣體和夾雜物進入較多，所以應(yīng)采用真空冶煉。為了進一步降低夾雜物的含量,改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結(jié)晶組織,可采用冶煉和二次重熔相結(jié)合的雙聯(lián)工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應(yīng)爐和非真空感應(yīng)爐；重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。

固溶強化型合金和含鋁、鈦低（鋁和鈦的總量約小于 4.5%）的合金錠可采用鍛造開坯；含鋁、鈦高的合金一般要采用擠壓或軋制開坯，然后熱軋成材，有些產(chǎn)品需進一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造。

合金化程度較高、不易變形的合金，廣泛采用精密鑄造成型，例如鑄造渦輪葉片和導向葉片。為了減少或消除鑄造合金中垂直于應(yīng)力軸的晶界和減少或消除疏松，近年來又發(fā)展出定向結(jié)晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結(jié)晶方向生長，以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實現(xiàn)定向結(jié)晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立并保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件（見金屬的凝固）。此外，為了消除全部晶界，近年來還研究單晶葉片的制造工藝。

主要用以生產(chǎn)沉淀強化型和氧化物彌散強化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。

高溫合金的性能同合金的組織有密切關(guān)系，而組織是受金屬熱處理控制的。高溫合金一般需經(jīng)過熱處理。沉淀強化型合金通常經(jīng)過固溶處理和時效處理。固溶強化型合金只經(jīng)過固溶處理。有些合金在時效處理前還要經(jīng)過一兩次中間處理。固溶處理首先是為了使第二相溶入合金基體,以便在時效處理時使γ┡、碳化物（鈷基合金）等強化相均勻析出，其次是為了獲得適宜的晶粒度以保證高溫蠕變和持久性能。固溶處理溫度一般為1040～1220℃。廣泛應(yīng)用的合金，在時效處理前多經(jīng)過1050～1100℃中間處理。中間處理的主要作用是在晶界析出碳化物和γ┡膜以改善晶界狀態(tài),與此同時有的合金還析出一些顆粒較大的γ┡相與時效處理時析出的細小γ┡相形成合理搭配。時效處理的目的是使過飽和固溶體均勻析出γ┡相或碳化物(鈷基合金)以提高高溫強度，時效處理溫度一般為700～1000℃。

高溫合金發(fā)展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結(jié)晶葉片的綜合性能將得到改進。此外，有可能采用激冷態(tài)合金粉末制造多層擴散連接的空心葉片，從而適應(yīng)提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護涂層材料和工藝也將獲得進一步發(fā)展。

基本信息

標準號 StandardNo： GB/T 15062-2008

中文標準名稱 StandardTitle in Chinese： 一般用途高溫合金管

英文標準名稱： Superalloy tube for general application

發(fā)布日期 IssuanceDate： 2008-5-13

實施日期 ExecuteDate： 2008-11-1

首次發(fā)布日期 FirstIssuance Date： 1994-4-4

標準狀態(tài) StandardState： 現(xiàn)行

復審確認日期 ReviewAffirmance Date：

計劃編號 Plan No： 20065606-T-605

代替國標號 ReplacedStandard： GB/T 15062-1994

被代替國標號 ReplacedStandard:

廢止時間 RevocatoryDate：

采用國際標準號 AdoptedInternational Standard No：

采標名稱 AdoptedInternational Standard Name：

采用程度 ApplicationDegree：

采用國際標準 AdoptedInternational Standard：

國際標準分類號(ICS)： 73.14

中國標準分類號(CCS)： H57

標準類別 StandardSort： 產(chǎn)品

標準頁碼 Number ofPages:

標準價格(元) Price(￥)：

主管部門 Governor： 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會

歸口單位 TechnicalCommittees： 全國鋼標準化技術(shù)委員會

起草單位 DraftingCommittee： 寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼分公司、冶金工業(yè)信息標準研究院

1、核心材料采用直流氬弧焊接，使表面負荷、電阻差等各項技術(shù)指標得到保證。

2、耐熱絕緣瓷件熱震性好、耐高溫、壽命長。有高、中、低溫爐用和特種氣氛爐用規(guī)格任意選用。外套管系采用無縫耐高溫合金管及板卷管、離心鑄管、非金屬專用抗?jié)B碳套管等。安裝、檢測、維修方便，均在爐外進行。

3、結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定、單根功率大、使用壽命是普通電加熱管的幾倍。