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因科鎳合金的典型牌號(hào)


Inconel 600: 固溶強(qiáng)化型。

Inconel 625: 耐酸,焊接性能良好。低周期疲勞型625常用于波紋管。

Inconel 690: 鈷含量較低,適于核能相關(guān)應(yīng)用,電阻率較低

Inconel 713C: 析出硬化型鎳鉻基鑄造合金

Inconel 718: 帶有γ"相強(qiáng)化,焊接性能好。

Inconel 751: 添加較多鋁,使其在870℃附近的高溫范圍有較好的抗破斷強(qiáng)度。

Inconel 792: 添加較多鋁,使其在高溫下有更加耐蝕,特別適于制造燃?xì)鉁u輪機(jī)。

Inconel 939: 以γ'相強(qiáng)化增加可焊性。


PS:以析出強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化為設(shè)計(jì)概念的Inconel,加鋁和鈦的目的,通常是為了形成金屬間化合物Ni3(Ti,Al)或γ'相;γ'相為細(xì)小立方晶胞,在高溫下可有效抑制滑移與蠕變。



3) 沃斯帕洛伊合金(Waspaloy)


Waspaloy是美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司(United Technologies Corp)的注冊(cè)商標(biāo),它是一種時(shí)效硬化奧氏體(面心立方晶胞face-centred cubic)鎳基超級(jí)合金。Waspaloy合金的典型應(yīng)用場(chǎng)是高溫用途,特別是應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)上。


典型化學(xué)成分


Ni:58%,Cr:19%,Co:13%,Mo:4%,Ti:3%;Al:1.4%


化學(xué)成分表



性能


Waspaloy是一種時(shí)效硬化鎳基超級(jí)合金,在980℃(1800℉)以下具有出色的力學(xué)性能。Waspaloy的其他特征包括優(yōu)良的耐腐蝕性能,耐氧化性能,適宜于在極端環(huán)境中服役。


Waspaloy合金在760-870℃ (1400-1600℉)溫度區(qū)間內(nèi)仍具有相當(dāng)好的強(qiáng)度值,以及優(yōu)良的抗氧化性,可服役于溫度高達(dá)870℃(1600℉)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境。在620-650℃(1150-1200℉)溫度范圍內(nèi),Waspaloy合金的蠕變斷裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于718合金。其730°C (1350°F)以下的短時(shí)熱抗拉強(qiáng)度劣于RA718。


物理性能


密度:0.296 lb/in3

熔化溫度:2425 - 2475℉


力學(xué)性能


典型拉伸性能,熱處理,板


根據(jù)相關(guān)資料,Q345B牌號(hào)在700℃時(shí)屈服強(qiáng)度約為90-100MPa,而21℃時(shí)屈服強(qiáng)度為345-390MPa。在700℃高溫下,Q345B力學(xué)性能下降60%以上,但沃斯帕洛伊合金僅下降不到13%,可見(jiàn)其良好的耐高溫性能。


典型蠕變斷裂強(qiáng)度,熱處理,板- 在所列時(shí)間的斷裂應(yīng)力值



相應(yīng)材料技術(shù)規(guī)范


AMS 5544, AMS 5708, AMS 5828

EN 2.4654

UNS N07001

Werkstoff 2.4654


用途


Waspaloy通常使用在極端環(huán)境中。常見(jiàn)應(yīng)用包括:燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片,密封,環(huán),軸和渦輪盤(pán)。由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)1243,作為X射線熒光光譜儀(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)的一種標(biāo)樣,就是用Waspaloy合金制作的。


英國(guó)飛機(jī)公司(British Aircraft Corporation,BAC)的TSR-2,一種1950年代后期開(kāi)始研制的超音速攻擊機(jī),其機(jī)身后部排氣噴嘴四周有一個(gè)整流罩,由于這個(gè)區(qū)域的高溫特點(diǎn),該整流罩是用 Waspaloy制作成形的,并且不進(jìn)行噴涂。這種合金的加工制作被描述為“非常棘手”,它是由布里斯托爾(Bristol)的發(fā)動(dòng)機(jī)專家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)施的,而非由的飛機(jī)機(jī)身制造商BAC來(lái)完成。


(Tail of TSR-2, showing the unpainted Waspaloy fairing)


4) 海恩斯合金(Haynes alloy)


我們常說(shuō)的哈氏合金,其實(shí)分為兩類產(chǎn)品,分別是耐高溫的海恩斯合金(Haynes alloy)和耐腐蝕的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金(Hastelloy)。


耐高溫

海恩斯合金(Haynes alloy)


海恩斯合金的特點(diǎn)是耐高溫,非常耐高溫,以海恩斯合金中的牌號(hào)HAYNES? 214? 為例,具有高達(dá)2200°F (1204°C)的超級(jí)抗氧化性能。


1204℃是個(gè)什么概念呢?大家知道,鋼的熔點(diǎn)大約在1500℃左右,而我們常說(shuō)的熱軋工藝是把鋼坯加熱到大約1200~1300℃左右,然后把鋼坯像面團(tuán)一樣搟薄。


也就是說(shuō)海恩斯合金的工作極限溫度非常高,這個(gè)溫度下普通的低碳鋼已經(jīng)像面條一樣柔軟,不具備基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。


鑒于這一超級(jí)抗氧化性能,海恩斯合金不單被應(yīng)用在航天港空工業(yè)中,在陶瓷,金屬加工,汽車(chē)和電子行業(yè),甚至鋼廠的設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用。



5) 因科洛伊合金(Incoloy)


上面我們介紹了因科鎳合金,同樣也是屬于美國(guó)的特殊金屬集團(tuán)商標(biāo)的,還有一個(gè)低成本的超級(jí)合金犀利——因科洛伊合金Incoloy? 。


什么是因科洛伊合金


Incoloy? 合金是特殊金屬公司集團(tuán)

(Special Metals Corporation group of companies)

生產(chǎn)并商標(biāo)注冊(cè)的一系列超級(jí)合金產(chǎn)品。


Incoloy?因科洛伊合金大部分可歸類為鎳基系合金,具有超常的耐蝕性和高溫強(qiáng)度,對(duì)于某種特定的化學(xué)物質(zhì)的侵蝕可選用特定的Incoloy。


例如:

020 合金適用于耐硫酸腐蝕的場(chǎng)合,而DS合金適用于爐內(nèi)為反應(yīng)性氣氛,且熱循環(huán)次數(shù)較多的熱處理爐部件。


因科洛伊合金的特點(diǎn)


由于Incoloy?合金的Fe含量較高,成本相對(duì)較低,使它成為非臨界高溫應(yīng)用場(chǎng)景下的理想材料。它的另外一個(gè)特點(diǎn)是相對(duì)較好可加工性。用戶可直接使用原用于加工不銹鋼材料的機(jī)器和加工工藝對(duì)其進(jìn)行加工處理。


Incoloy?合金對(duì)海水、鹵水、酸氣和高氯離子環(huán)境的高耐受性,使其成為石油天然氣工業(yè)最受歡迎的一種材料。Incoloy?合金是目前最嚴(yán)苛化學(xué)環(huán)境中使用得最多的材料,它的應(yīng)用場(chǎng)景包含但不限于:各類酸的處理,濕法洗滌,核燃料和反應(yīng)性氣氛的工業(yè)爐。


因克洛伊合金在我們鋼鐵行業(yè)中也有大量應(yīng)用

如爐輥、輻射管、燒嘴等等


由于Incoloy合金類型較多,此處挑選了幾個(gè)比較典型的Incoloy合金做一簡(jiǎn)單介紹。詳見(jiàn)下圖



6) 雷內(nèi)鎳基高溫耐蝕合金(Rene alloys)


鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。


隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)在Ni基高溫合金的工藝控制中扮演了重要角色,如Rene第3代合金在研制過(guò)程中就采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行成分演算、統(tǒng)計(jì)篩分、成分優(yōu)化等工序。近年來(lái),除了合金耐高溫、耐腐蝕、耐氧化、抗蠕變、機(jī)械強(qiáng)度等綜合性能外,相關(guān)核心技術(shù)也重視合金與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、減少維護(hù)、擴(kuò)展材料的使用壽命、以及減小合金的制備成本等方面。


7) MP98T(由美國(guó)SPS技術(shù)公司開(kāi)發(fā),可以承受高壓氫環(huán)境,如使用氫作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī),防止變脆)


美國(guó)SPS技術(shù)公司成立于1903年,是一家技術(shù)領(lǐng)先的高強(qiáng)度緊固件與精密零部件制造廠商。最近,SPS公司新推出了一種由超合金制成的緊固件,并命名為SPSMP98T^TM,這種新材料集高強(qiáng)度、高韌度與防腐蝕特點(diǎn)于一體,其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的緊固件材料。SPSMP98T材料的最小抗拉強(qiáng)度為1241MPa,經(jīng)ASTME1820樣品測(cè)試,MP98T材料的普通斷裂韌度值超過(guò)1379MPa。MP98T中的合金可以承受高壓氫環(huán)境(例如使用氫作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等),防止變脆。MP98T緊固件強(qiáng)度高,斷裂韌度前所未有,因此,是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)身的理想零部件。 


8) TMS合金(TMS alloy,日本國(guó)家金屬材料研究所開(kāi)發(fā)的單晶高溫合金)


TMS(Tokoyo Meguro Single)合金,日本國(guó)立材料研究所(NIMS)在此項(xiàng)技術(shù)中是非常著名的,雖然小編也是抗日份子,但這方面不得不說(shuō)他領(lǐng)先。


關(guān)于NIMS


日本國(guó)立材料研究所(National Institute for Material Science:NIMS)是日本最大的研究所之一,它由國(guó)立金屬材料技術(shù)研究所(NRIM)和國(guó)立無(wú)機(jī)材料研究所(NIRIM)合并而來(lái)。NIMS主要進(jìn)行材料的合成,表征和應(yīng)用的研究,包括金屬,半導(dǎo)體,超導(dǎo)體,陶瓷,有機(jī)材料,和納米材料等等。涵蓋了電子,光學(xué),涂料,燃料電池,催化劑,生物技術(shù)等范圍的應(yīng)用。同時(shí)發(fā)展了電子顯微鏡,高能離子束,強(qiáng)磁場(chǎng)等技術(shù)。大多數(shù)研究是實(shí)驗(yàn)性研究,但至少有一個(gè)研究中心,致力于理論研究。


TMS系列單晶


TMS(Tokoyo Meguro Single)是NIMS開(kāi)發(fā)的鎳基單晶高溫合金系列。近年來(lái),NIMS相繼成功研制第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS196,TMS-238等,在鎳基單晶高溫合金的研發(fā)領(lǐng)域,走在了世界的前列。


表1 TMS物理、力學(xué)性能和工藝特點(diǎn)



日本NIMS開(kāi)發(fā)的TMS系列單晶成功進(jìn)行了系列化的發(fā)展,TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196,TMS-238。


TMS-82+是NIMS和東芝公司合作開(kāi)發(fā)的單晶,相比同代的CMSX-4單晶,在蠕變應(yīng)力近137.3MPa下承溫能力提高30℃,熱處理窗口寬有利于進(jìn)行熱處理,同時(shí)具有良好的高溫抗腐蝕能力和相穩(wěn)定性,相比第三代單晶TMS-75具有更多連續(xù)的γ′竹筏結(jié)構(gòu)和更細(xì)小的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò),有效降低蠕變應(yīng)變率。此外,TMS-82+具有良好的低周疲勞強(qiáng)度,具有與CMSX-4相當(dāng)?shù)目寡趸阅?。通過(guò)1年15MW 發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)考核,該單晶葉片表面無(wú)損傷,保持良好的相穩(wěn)定性,無(wú)竹筏結(jié)構(gòu)。


TMS-75是NIMS和KHI(川崎重工)合作開(kāi)發(fā)的單晶,中溫到高溫段具有優(yōu)良的蠕變強(qiáng)度,并且具有良好的抗熱腐蝕能力。


TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI(石川島播磨重工)合作開(kāi)發(fā)的單晶,兩者都具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、微觀組織穩(wěn)定性和抗熱腐蝕能力。


TMS-196是NIMS獨(dú)立開(kāi)發(fā)的單晶,該合金不僅具有良好的微觀組織穩(wěn)定性,同時(shí)具有良好的綜合性能,包括蠕變性能、熱機(jī)械疲勞和抗氧化能力。相比第二、三代單晶,第四、五代單晶提高了高熔點(diǎn)元素含量,如Mo、Re和Ru,雖然極大提升了蠕變性能,但是降低了抗氧化性能。第六代單晶TMS-238在第五代單晶TMS-196基礎(chǔ)上優(yōu)化了成分,呈現(xiàn)出良好的高溫蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能。


TMS系列單晶的特點(diǎn)在于熱處理窗口非常寬,有助于大尺寸零件的熱處理。另一個(gè)特點(diǎn)在于Mo含量高,形成γ/γ′界面上細(xì)小的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò),有效提高了蠕變性能。



9) CMSX單晶合金(美國(guó)Cannon-Muskegon公司開(kāi)發(fā)的單晶高溫合金)


葉片是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件,不管是星條旗,還是伏特加,都在葉片制造等技術(shù)上一直封鎖我國(guó)。很多網(wǎng)友抱怨,我國(guó)是世界第一的產(chǎn)鋼大國(guó),為何卻不能造出好的葉片用鋼,其實(shí)那不是鋼,而是單晶合金。


眾所周知,增強(qiáng)渦輪葉片的承溫能力可直接提高渦輪進(jìn)口溫度,而提高渦輪進(jìn)口溫度是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效方法。20世紀(jì)70年代后期,單晶高溫合金由于其優(yōu)良的熱阻特性,被引入到商業(yè)航空燃?xì)鈬姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中。采用單晶合金發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率比采用定向合金提高30%以上,壽命大大延長(zhǎng)。最新航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)1777℃,見(jiàn)表2。


表2 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程




例如,采用第三代單晶合金作為葉片材料的推重比為10的F119發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度為1677℃,比采用定向合金的推重比為8的F100發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度(1370℃)提高了307℃。


F-119-PW-100


美歐等國(guó)的單晶高溫合金應(yīng)用研究已比較成熟,并在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用,單晶合金應(yīng)用的相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)與機(jī)型如表2所示,尤其是第二代單晶葉片的工程化應(yīng)用技術(shù),目前正在服役的單晶葉片零件估計(jì)超過(guò)百萬(wàn)件。


由表3中單晶合金的應(yīng)用情況總結(jié)得出,Pratt & Whitney(P&W公司)與IAE(P&W,RR,JACE,MTU合資公司)系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用PWA系列單晶合金,GE和CFM(GE,SNECM合資公司)系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用René系列單晶合金,Rolls-Royce(RR公司)Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用CMSX系列單晶合金。


表3單晶高溫合金葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用




René系列單晶的專利權(quán)人是GE公司,由第一代單晶RenéN4發(fā)展到第二代單晶RenéN5和第三代單晶RenéN6。


CMSX系列單晶的專利權(quán)人是Cannon-Muskegon公司,由第一代單晶CMSX-3發(fā)展到第二代單晶CMSX-4和第三代單晶CMSX-10。


RR公司開(kāi)發(fā)的單晶RR3000和RR3010在美國(guó)的Cannon-Muskegon公司生產(chǎn),按美國(guó)慣例需冠上該生產(chǎn)單位的品牌名,命名為CMSX-10K和CMSX-10N,產(chǎn)品驗(yàn)收采用RR公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。


PWA系列單晶的專利權(quán)人是美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司,被P&W公司收購(gòu),由第一代PWA1480發(fā)展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。



PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)


第四代、第五代單晶的發(fā)展以TMS系列單晶為代表。TMS系列單晶是由NIMS研究所研制的。2006年,RR公司在日本NIMS建立航空先進(jìn)材料研究室,與NIMS聯(lián)合開(kāi)發(fā)單晶材料。


單晶的承溫能力一般以137MPa/1000h蠕變斷裂為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,第二代單晶承溫能力大致為1040℃,相應(yīng)的每代單晶高溫合金使用溫度都被提高了25~30 ℃,每提高25~30℃相當(dāng)于延長(zhǎng)葉片壽命3倍。????


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