论文部分内容阅读
摘 要：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，广泛应用于航空、航天、发电及热处理设备上，也是汽轮发电机极其重要的材料组成部分。近年来，随着这些行业的高速发展，对零件的要求越来越体现轻量化、精密化，伴随着这一发展趋势，薄壁铸件的需求将越来越大，具有薄壁结构的高温合金铸件研究正引起越来越多人的关注。
关键词：高温;合金;薄壁;工艺
高温材料主要包括高温合金、钛合金、难熔合金和陶瓷材料等，其中以高温合金和钛合金的应用最为广泛，分为三类材料：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度。如今，在世界先进发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40%～60%。随着精密铸造技术的不断发展，航天、航空、电力及核能领域使用的关键热端部件的结构也发生了巨大的变化，不仅朝着整体、薄壁空心方向发展，而且正逐步向结构承载与气体导流的结构功能一体化方向发展。
一、高温合金材料的加工特性
（一）具有抗氧化和抗热腐蚀性能。金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地在高温下工作的重要保证条件。高温合金区别于传统金属、合金的特点在于：在高温工作环境下合金具有较高的强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性，并在各种温度下保持良好的组织稳定性和使用可靠性等综合性能。在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘。氧化是一种典型的化学腐蚀，在高温空气、燃烧废气等氧化性气氛中，金属与氧接触发生化学反应即氧化腐蚀，高温合金中主要元素對合金的凝固过程、力学性能和抗热腐蚀性能都有很大的影响。例如K419合金，950℃时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%。950℃，200小时的持久强度极限大于230MPa。直升机的尾减机匣就是阳极氧化处理完成的。
（二）良好的疲劳性能。当机件在高温下承受交变载荷作用，经过较长时间而发生断裂的现象，称为高温疲劳。而蠕变是机件在高温长时载荷作用下发生的塑性变形。疲劳是反复蠕变的必然结果。高温合金具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性。尤其在650 ℃高温下，其力学性能具有很好的稳定性，能够在600～1200 ℃下承受一定的工作压力;因此，高温合金被广泛地制造工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。航空发动机燃烧室材料就是使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主，实践中就有良好的冷热疲劳性能。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。
（三）良好的断裂韧性。高温合金材料成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学部稳定。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”。断裂是金属材料受到外载荷作用时发生的产要破坏方式，最常见的两种破坏类型：韧性断裂和脆性断裂。材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧性KIC。这是一个从平面应力状态向平面应变状态的转化过程。持久强度是指在恒定温度下经过一定时间，金属材料发生断裂破坏时的应力值。合金材料在高温下晶界强度低于晶内，因此加入合金元素提高再结晶温度，形成稳定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，减少晶界等都能有效地提高合金材料的高温强度，进而实现良好的断裂韧性。
二、高温合金薄壁件加工工艺技术
（一）铸造冶金工艺技术。铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法，是利用材料从液态到固态的相变进行成型的过程。以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。根据合金基体成分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钴基铸造高温合金3种类型。要保持合金足够的抗热腐蚀性和良好的工艺性。另外，单晶铸造高温合金是各向异性的，<100>方向是合金结晶生长的择优方向，其蠕变强度较高和弹性模量低。蠕变强度最高的取向是<111>方向。疲劳性能最高的取向是<001>方向。具有更广阔的应用领域由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。
（二）粉末冶金工艺技术。粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末并以该粉末为原料，通过混合、压制成型、烧结以及必要的后续处理来制取金属材料或制品的工艺技术，是采用粉末冶金方法减少合金元素的偏析和提高材料强度等。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低。粉末冶金高温合金通常按合金强化方式分为弥散强化型和沉淀强化型两类。弥散强化型高温合金是用惰性氧化物来强化的，这种氧化物的物理和化学性能高度稳定，在一般沉淀强化相软化、聚集甚至溶解的温度下，仍保持相当高的强化效果。
三、结束语
总之，高温合金又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。薄壁零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，越来越广泛地应用在机械制造等行业中。因此，随着科技的不断进步，大力的发展新材料，改进旧材料的性能，完善制备工艺，以及薄壁方案及材料选取等不断地探索，高温合金薄壁零件加工技术将成为生产可靠性高、合格率高的技术体系，必将为高温合金薄壁零件的加工提供有力支撑。
参考文献
[1]某型机前轴颈加工工艺研究[J].于永涛，刘平江，刘军.装备制造技术.2017（03）
[2]应富强;邢小锋;万志国;;间接挤压铸造薄壁件充型速度的研究[J];特种铸造及有色合金;2010年04期
[3]叶片轴颈台阶深度专用测量装置[J].王玉，于绍永，蒲超亮.航空精密制造技术.2009（05）
[4]一种叶片轴颈深度公差现场检测装置及检测方法[J].宫宇，王玉，丁轶奇.计量与测试技术.2013（09）
关键词：高温;合金;薄壁;工艺
高温材料主要包括高温合金、钛合金、难熔合金和陶瓷材料等，其中以高温合金和钛合金的应用最为广泛，分为三类材料：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度。如今，在世界先进发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40%～60%。随着精密铸造技术的不断发展，航天、航空、电力及核能领域使用的关键热端部件的结构也发生了巨大的变化，不仅朝着整体、薄壁空心方向发展，而且正逐步向结构承载与气体导流的结构功能一体化方向发展。
一、高温合金材料的加工特性
（一）具有抗氧化和抗热腐蚀性能。金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地在高温下工作的重要保证条件。高温合金区别于传统金属、合金的特点在于：在高温工作环境下合金具有较高的强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性，并在各种温度下保持良好的组织稳定性和使用可靠性等综合性能。在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘。氧化是一种典型的化学腐蚀，在高温空气、燃烧废气等氧化性气氛中，金属与氧接触发生化学反应即氧化腐蚀，高温合金中主要元素對合金的凝固过程、力学性能和抗热腐蚀性能都有很大的影响。例如K419合金，950℃时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%。950℃，200小时的持久强度极限大于230MPa。直升机的尾减机匣就是阳极氧化处理完成的。
（二）良好的疲劳性能。当机件在高温下承受交变载荷作用，经过较长时间而发生断裂的现象，称为高温疲劳。而蠕变是机件在高温长时载荷作用下发生的塑性变形。疲劳是反复蠕变的必然结果。高温合金具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性。尤其在650 ℃高温下，其力学性能具有很好的稳定性，能够在600～1200 ℃下承受一定的工作压力;因此，高温合金被广泛地制造工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。航空发动机燃烧室材料就是使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主，实践中就有良好的冷热疲劳性能。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。
（三）良好的断裂韧性。高温合金材料成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学部稳定。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”。断裂是金属材料受到外载荷作用时发生的产要破坏方式，最常见的两种破坏类型：韧性断裂和脆性断裂。材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧性KIC。这是一个从平面应力状态向平面应变状态的转化过程。持久强度是指在恒定温度下经过一定时间，金属材料发生断裂破坏时的应力值。合金材料在高温下晶界强度低于晶内，因此加入合金元素提高再结晶温度，形成稳定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，减少晶界等都能有效地提高合金材料的高温强度，进而实现良好的断裂韧性。
二、高温合金薄壁件加工工艺技术
（一）铸造冶金工艺技术。铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法，是利用材料从液态到固态的相变进行成型的过程。以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。根据合金基体成分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钴基铸造高温合金3种类型。要保持合金足够的抗热腐蚀性和良好的工艺性。另外，单晶铸造高温合金是各向异性的，<100>方向是合金结晶生长的择优方向，其蠕变强度较高和弹性模量低。蠕变强度最高的取向是<111>方向。疲劳性能最高的取向是<001>方向。具有更广阔的应用领域由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。
（二）粉末冶金工艺技术。粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末并以该粉末为原料，通过混合、压制成型、烧结以及必要的后续处理来制取金属材料或制品的工艺技术，是采用粉末冶金方法减少合金元素的偏析和提高材料强度等。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低。粉末冶金高温合金通常按合金强化方式分为弥散强化型和沉淀强化型两类。弥散强化型高温合金是用惰性氧化物来强化的，这种氧化物的物理和化学性能高度稳定，在一般沉淀强化相软化、聚集甚至溶解的温度下，仍保持相当高的强化效果。
三、结束语
总之，高温合金又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。薄壁零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，越来越广泛地应用在机械制造等行业中。因此，随着科技的不断进步，大力的发展新材料，改进旧材料的性能，完善制备工艺，以及薄壁方案及材料选取等不断地探索，高温合金薄壁零件加工技术将成为生产可靠性高、合格率高的技术体系，必将为高温合金薄壁零件的加工提供有力支撑。
参考文献
[1]某型机前轴颈加工工艺研究[J].于永涛，刘平江，刘军.装备制造技术.2017（03）
[2]应富强;邢小锋;万志国;;间接挤压铸造薄壁件充型速度的研究[J];特种铸造及有色合金;2010年04期
[3]叶片轴颈台阶深度专用测量装置[J].王玉，于绍永，蒲超亮.航空精密制造技术.2009（05）
[4]一种叶片轴颈深度公差现场检测装置及检测方法[J].宫宇，王玉，丁轶奇.计量与测试技术.2013（09）