高溫合金的案例
航空發動機用粉末高溫合金及制備技術研究進展
高溫合金(渦輪盤、渦輪葉片等)被譽為燃氣渦輪的心臟，一直受到冶金工作者的關注[1~4]。早期變形高溫合金的強度提高主要是通過合金化來實現，但隨著使用溫度和合金強度要求的不斷提高，其合金化程度也越來越高，以至于鑄錠的合金元素偏析嚴重，熱工藝塑性惡化，使常規鑄鍛工藝制造渦輪盤時變形加工變得非常困難，粉末冶金高溫合金的應用是解決這一問題的有效途徑[5~9]。20世紀60年代初，氣霧化粉末制備技術開始興起，1965年發展了高純高溫合金粉末制備技術[10,11]，隨后制備出粉末高溫合金渦輪盤[12]，并于20 世紀70 年代首先應用于軍用飛機發動機上。粉末高溫合金的優勢在于，霧化制粉過程中微米級直徑的合金液滴快速凝固形成粉末顆粒，粉末組織均勻、晶粒細小，多為細樹枝晶或胞晶。從Ar 氣霧化高溫合金粉末[13]和普通鑄造鎳基高溫合金[14]的顯微組織中可知，粉末的枝晶間距較傳統鑄造高溫合金小1 個數量級以上，其成分偏析也被限制在球形粉末顆粒內細小的枝晶尺度范圍內，從而達到均質化的目的。
采用粉末高溫合金可顯著提高力學性能和熱工藝性能。近幾十年，隨著合金和制備技術的快速發展，粉末高溫合金已成為目前高性能航空發動機渦輪盤的首選材料。
1 粉末高溫合金的發展
1.1 歐美和我國粉末高溫合金的發展
歐美發達國家和我國在先進航空發動機中廣泛采用粉末高溫合金渦輪盤，先后研制出四代粉末高溫合金(圖1)，在軍、民用航空發動機中得到了應用。典型的粉末高溫合金成分如表1[5,15,16]所示。
展開 高溫合金材料及標準化發展規劃（轉自材易通）
相對于其他2類高溫合金，鐵基高溫合金存在組織不夠穩定、抗氧化能力差、使用溫度較低等缺點。
鐵基合金GH1311的金相組織
（2）鎳基高溫合金
該類高溫合金以Ni為主要基體，并在基體中溶入了多種合金元素。如下圖所示為鎳基合金Inconel718的金相組織。從圖中可以看出，鎳基高溫合金也是以奧氏體為基體的一類合金材料，但其材料組織分布更為緊密，表現出更好的組織穩定性。相對于鐵基高溫合金，鎳基高溫合金中加入了更多種類的強化元素，保證了鎳基高溫合金具有更好的組織穩定性和耐腐蝕性，工作溫度更高。相對于其他2種類型的高溫合金，鎳基高溫合金存在疲勞性能差、塑性較低的缺點。
鎳基合金Inconel 718的金相組織
（3）鈷基高溫合金
該類高溫合金以鈷(Co)為基體，合金中Co元素比例占60%以上，同時在基體中還溶入了不同比例的Ni、Cr等合金元素，增強了耐熱性能，是目前綜合性能最為優異的一類高溫合金；但是，由于全球金屬鈷的產量相對缺乏，因此該類型高溫合金應用并不廣泛。
目前，從高溫合金的應用情況來看，鎳基高溫合金是使用最多的一類高溫合金，大部分航天發動機的渦輪葉片都采用鎳基合金制造。
3
按合金強化類型分
根據合金強化工藝，高溫合金主要分為固溶強化高溫合金和時效強化高溫合金2類。
展開 整機丨621所：航空發動機用鎳基鑄造高溫合金及熱處理工藝研究
本文主要論述了鎳基鑄造高溫合金及其熱處理工藝技術的研究進程，并對其進行了總結和分析，對未來進行展望，為后續的工業生產提供參考。
1 鎳基鑄造高溫合金的發展歷程
鎳基鑄造高溫合金是高溫合金領域中的重要組成部分，在各類精密鑄件生產過程中具有較為突出的優勢，其主要原因就是這種材料耐高溫、高抗氧化和耐腐蝕性的性能。早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在20 世紀50 年代后期，隨著航空發動機技術的發展，發動機渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對高溫合金的強度和使用溫度提出了更高的要求。而提升鎳基高溫合金強度的方法便是提高合金的合金化程度，導致鎳基高溫合金越來越難以變形甚至不能變形，只能采用鑄造工藝生產。另外，隨著發動機葉片設計技術的發展，出現了空心氣膜孔冷卻葉片。這種具有復雜內腔的空心葉片，只能夠采用熔模鑄造的工藝進行生產。在這種需求下，國內外逐漸發展出了一系列具有良好高溫性能的鎳基鑄造高溫合金牌號。
鎳基高溫合金材料在20 世紀40 年代初期的英國被首次發現，其在噴氣式航空領域的應用使很多工業生產商注意到了合金材料性能的重要性。英國于1941 年首先生產出鎳基合金Nimonic75 (Ni-20Cr-0.4Ti)，在之后很長一段時間內，美國和蘇聯等發達國家也先后研制成功類似的合金材料，而中國在20 世紀50 年代后期也相繼開發出了一些相同性質的合金材料。
研究鎳基鑄造高溫合金的發展歷史就不難發現，它大致有兩個方向的研究路徑：一是通過對合金成分的調整和組合，研究不同元素添加比對合金性能的影響，進而獲取最優的元素和成分比；二是通過對鎳基鑄造高溫合金生產工藝、生產設備的優化和改進，提升合金的制備技術。
展開 ：鎳基高溫合金界面位錯網絡的再偏析
錸（Re）是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強度的元素。但是，并沒有得到廣大研究者的認同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機的，而是以納米團簇的形式出現，因此障礙位錯運動。與此同時，一些研究人員聲稱，無法通過使用三維（3D）原子探針斷層掃描（APT）或擴展的X射線吸收精細結構光譜找到高溫合金中的Re團簇。最近，在單晶高溫合金的界面位錯核心處，發現了Re偏析，伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動，從而提高超級合金的抗蠕變性。但是，在Ni基高溫合金中，Re原子的空間分布和“Re效應”的機制仍不清楚。
【成果簡介】
近日，中國浙江大學張澤院士團隊的李吉學教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen合作，采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了鎳基單晶高溫合金中錸（Re）的分布。發現Re原子在界面位錯核心附近的拉應力區域分離，形成“Cottrell大氣”，偏析過程由位錯管擴散促進。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）應變研究表明，沿相界分布Re的位錯網絡充當了機械壁，有效地阻止了位錯運動和裂紋擴展。同時，Re分離的程度可以通過熱處理來調節。理論分析表明，這種顯著的合金化效應主要來源于Re局部組分應變與位錯應變之間的相互作用，導致界面位錯網絡顯著穩定。此結果為理解鎳基高溫合金力學性能中Re效應的起源提供了新的視角，有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設計高性能的不含Re高溫合金。相關成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發表在Acta Materialia上。
展開 
哈理工吳明陽教授團隊為您講述高溫合金切削加工中的切屑折斷機理
高溫合金具有優良的高溫強度、熱穩定性和熱疲勞性，在高溫下具有屈服強度高、組織性能穩定的特點，被廣泛應用于航空、航天領域。但由于其導熱性差和表面加工硬化嚴重等特點，使其切削加工性能較差，高溫合金在切削加工過程中，產生大塑性變形和較高切削溫度，同時產生不易折斷的切屑纏繞工件和刀具，如圖1所示，影響刀具壽命并且降低加工效率，右圖已加工材料的表面質量，可以看出已加工表面具有嚴重的劃痕，其形成原因是加工過程中切屑不易折斷，纏繞工件對工件表面造成損傷。
圖1 PCBN 切削GH4619 切屑纏繞及對加工表面損傷
難加工材料在傳統切削過程中經常產生大的切削力、切削熱及不易折斷的切屑，導致刀具早期破損，降低加工效率，尤其是鎳基高溫合金這類難加工材料在加工過程中因切屑不易折斷造成刀具破損，降低加工效率。PCBN 刀具具有較高的硬度、耐熱性、化學穩定性等，其作為一種超硬刀具材料在加工高溫合金方面具有較大潛能。通過對PCBN 刀具切削高溫合金GH4169 切屑進行試驗研究，得到不同切削參數下的切屑形態，如圖2所示。
圖2 不同切削參數下GH4169 切屑形態
由圖 2 可以看出，加工過程中隨著進給量增加，切屑折斷性能降低，切屑纏繞現象明顯增加；切屑折斷性能隨切削速度、切削深度的增加有所提升，但切屑纏繞現象依然嚴重。試驗結果表明：常規切削條件下，PCBN 刀具切削GH4169 斷屑困難，易產生纏繞刀具和工件現象，造成工件損傷，降低刀具壽命，影響加工效率。
展開 航空發動機用高溫合金的鑄造、鍛造工藝
本文作為補充內容，介紹航空用高溫合金的加工工藝，包括鑄造工藝、鍛造工藝，以及鑄件、鍛件在航空發動機零部件的應用。
注：高溫合金原材料的加工還有熔煉工藝，可以參考轉發的文章
鎳基合金VIM+ESR+VAR三大熔煉工藝簡析 (qq.com)
鑄造工藝
航空發動機零件使用最多的是熔模鑄造工藝，特點是可以獲得最終尺寸的零件，并且成本相對較低。但是鑄件常見問題如氣孔、偏析等，機械性能無法跟鍛件相比。
航空發動機中，使用鑄件的零部件有渦輪葉片、風扇框架等，主要的制造工藝是：真空感應熔煉、鑄造、機加、精整。
從顯微組織結構上看，鑄件可分為3大類：
等軸晶鑄件，主要用于制造低壓渦輪零部件。工藝的特點是液態金屬的凝固速率只受限于膜殼的散熱能力。為了控制熱量損失的速率，膜殼通常都是絕熱的。所獲得的鑄件產品是多晶體結構，晶粒生長方向也是隨機的。
定向凝固，主要也是用于制造低壓渦輪零部件。基本原理是使用冷卻機構從一端吸收熱量，使得鑄件只沿著一個方向凝固。
單晶凝固是鑄造工藝的特殊應用，只用于承受最高溫度的應用，比如高壓渦輪葉片，燃燒室零部件等。其原理跟定向凝固相同，控制凝固溫度梯度；區別是單晶需要使用籽晶，使得液態金屬凝固時，能夠沿著擇優晶向生長，最終獲得只有一個晶粒的產品。當今世界上先進的發動機高壓渦輪葉片都是100%單晶。什么時候開始的呢？30年前！
單晶爐示意圖：
高溫合金由于其合金化元素超過10種以上，最常見的問題第一個就是偏析，所以，高溫合金必須通過均勻化熱處理消除偏析。當合金錠偏析嚴重無法消除時，可以使用粉末冶金技術，但缺點是成本較高。如下圖，單晶葉片配粉末盤。
鍛造工藝
航空發動機中，使用鍛件的零部件有盤、鼓筒軸、風扇和壓氣機葉片等，主要的制造工藝是：熔煉、轉坯、鍛造、機加、精整。
展開 Ti60 高溫鈦合金環件組織性能與分析
高
結束語
Ti60 高溫鈦合金環件采用3t 自由鍛錘改鍛和制倍組織見及圖5 ～圖8，表4 為具體檢測數據，結果均合格。
圖4 低倍組織無清晰晶及冶金缺陷
圖5 中心取樣點1 的高倍組織
表3 鍛件室溫力學性能
圖6 中心取樣點2 的高倍組織
圖7 外圓取樣點的高倍組織
圖8 內圓取樣點的高倍組織
表4 鍛件高倍檢驗
表5 鍛件高溫拉伸性能和熱穩定性能
注：經600℃×100h +空冷熱暴露
高溫拉伸性能和熱穩定性能見表5；沖擊性能、高溫持久和高溫蠕變性能見表6。坯，在φ1200mm 擴孔機上成形，并在熱處理和粗加工后進行全面理化性能檢測，以驗證現行熱加工工藝的合理性及有效性，為后續生產Ti60 高溫鈦合金鍛件提供實踐經驗。
表6 鍛件沖擊性能和高溫持久、高溫蠕變性能
試制過程及理化性能檢驗結果顯示：
⑴在3t 自由鍛錘上進行Ti60 高溫鈦合金原材料改鍛、制坯工藝合理可行。通過自由鍛錘制坯、馬擴、擴孔等工序的變形后對Ti60 高溫鈦合金環坯進行探傷，結果φ0.8mm 平底孔雜波為-12 ～-6dB，φ1.2mm 平底孔雜波為-12dB 的水平；改鍛效果比較明顯，高低倍組織符合技術要求。通過端面低倍檢查無異常。
⑵力學性能，室溫拉伸、600℃拉伸、缺口拉伸、600℃+100h+試樣熱穩定性、持久和蠕變性能均得到了較好的試驗數據(高低周疲勞未進行檢測)。
⑶試制表明輕擊快鍛及多火次對Ti60 高溫鈦合金組織影響顯著，具體定量研究快速變形對Ti60 合金的影響尚未明確，待其他相關工作進一步深入研究。
通過以上Ti60 高溫鈦合金環件鍛造過程試制：φ500mm×φ485mm×200mm 環件Ti60 高溫鈦合金鍛件滿足組織性能要求。
展開 3D打印鎳基單晶高溫合金
鎳基單晶高溫合金是航空航天等領域的關鍵材料，用于高溫零部件的制造。目前，這些零部件的制備工藝主要以定向凝固精密鑄造為主。對金屬3D打印技術而言，能否實現單晶組織的連續生長是一個巨大挑戰。以往的研究主要集中在利用3D打印技術分層疊加原理，對單晶基體（如燃氣輪機的渦輪葉片）進行修復，目前可以實現成形若干層單晶組織。
據研究人員報到，該研究成功的秘訣是采用了精確的工藝參數控制合金的熔化及凝固過程。研究者認為，所采用的工藝為何能夠制備出單晶仍需要深入分析，初步認為是所采用的掃描策略對晶粒的生長具有選擇效果，因而能夠實現單晶的制備。由圖1可以看出，制備的塊狀試樣上部縱截面上，枝晶細密且連續生長，沒有明顯的裂紋等缺陷。
該研究突破了較大體積鎳基高溫合金單晶組織的3D打印，使3D打印技術用于單晶高溫合金零部件的制造成為可能，對于3D打印技術進一步應用于航空航天等領域熱端零部件的制造具有重要意義。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 洛林大學《Acta Materialia》：鎳基高溫合金[110]方向蠕變組織演變
由于鎳基高溫合金是研究擴散控制的相變、彈性和塑性之間的強耦合候選材料，筏化也成為了更多基礎研究的重點。大多數研究都集中在[100]定向單晶的蠕變特性上，因為[100]方向是單晶渦輪葉片的主應力方向，但是在葉片截面存在復雜冷卻過程時，其他方向上的應力可能也很大，因此有必要研究在更復雜的蠕變條件下的微觀組織演變和相關的力學行為。
法國洛林大學的研究人員使用3D和2D相場模擬研究了[110]蠕變載荷過程中鎳基高溫合金的組織演變，還研究了非均勻和各向異性對彈塑性驅動力的影響。相關論文以題為“Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys”發表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116851
本研究使用了相場模型和先前開發的晶體可塑性模型。當塑性被限制在幾微米以下的區域時，它能夠解釋各向異性以及塑性的晶粒尺寸依賴性。它還包括針對滑行系統中位錯密度的
儲存
-恢復定律和位錯之間短程相互作用的硬化矩陣。該模型用于說明蠕變條件下鎳基高溫合金的微觀結構演變。在接近[110]的拉伸載荷下，對鎳基高溫合金在蠕變過程中的組織形成和演變進行了三維模擬。從立方結構開始，模擬得出了棒狀析出物在恒定應力下沿[110]方向形成的微觀結構。
展開 強度大大提高，MIT用納米陶瓷纖維強化3D打印高溫合金
更好的性能
研究團隊的方法以 Inconel 718材料為基礎，這是一種流行的“高溫合金”，用于增材制造中需要承受極端條件（例如 700 攝氏度，約 1,300 華氏度））等極端條件的應用。該團隊寫道，他們用少量陶瓷納米纖維研磨商用 Inconel 718 粉末，導致納米陶瓷在 Inconel 顆粒表面均勻包覆。
然后將所得粉末用于通過激光粉末床熔合制造零件。研究人員發現，與僅使用 Inconel718 制成的零件相比，使用這種新粉末制成的零件的孔隙率和裂紋明顯減少。而這反過來又會導致零件的強度大大提高，這些零件還具有許多其他優勢。例如，它們更具延展性，或可拉伸性，并且具有更好的抗輻射和高溫載荷能力。
Li說：“此外，這一強化過程本身的成本并不高，并且適用于現有的 3D 打印機。只需使用我們的粉末，您就會獲得更好的性能。”
未參與這項工作的香港中文大學助理教授徐松評論道：“在這篇論文中，作者提出了一種打印由陶瓷納米纖維增強的鎳基合金 718 金屬基復合材料的新方法。激光熔化過程引起的陶瓷原位溶解增強了 Inconel718 的耐熱性和強度。此外，原位強化減小了晶粒尺寸并消除了缺陷。未來金屬合金的 3D 打印，包括高反射率銅的改性和高溫合金的斷裂抑制，都可以從這項技術中明顯受益。”
△麻省理工學院的研究團隊報告了一種簡單、廉價的方法來制備航空航天和核能發電應用的關鍵強化材料。這張照片中打印基板上的“海貍“造型和其他形狀是使用新技術創建的。照片來源：亞歷山大·奧布萊恩
巨大的新空間
Li教授說：“這項工作可以為合金設計開辟一個巨大的新空間，因為超薄 3D 打印金屬合金層的冷卻速度比使用傳統熔體凝固工藝制造的散裝部件的冷卻速度快得多。因此，許多適用于鑄造的化學成分規則似乎不適用于這種 3D 打印。
展開 《中國航空材料手冊》第2卷.變形高溫合金.鑄造高 第10卷
《中國航空材料手冊》第2卷.變形高溫合金.鑄造高 第10卷
《中國航空材料手冊》第10卷.pdf
《中國航空材料手冊》第2卷.變形高溫合金.鑄造高.pdf
看DEFORM在高溫合金微觀組織計算中的應用
本文為大家介紹DEFORM高溫合金微觀組織計算應用。
IN-625是一種常用于航天、航海和能源行業的高溫鎳基合金，主要用于高腐蝕、高溫和高強度環境下。高溫下的強度必然導致極大的鍛造載荷，因此在生產少量鍛件以后，模具經常發生失效。
細化晶粒是IN-625合金的強化機制，如下圖所示。細晶粒的鍛件相比粗晶粒鍛件具有更高的屈服和抗拉強度值。另外，在高溫下單個晶粒生長迅速，因此為了滿足機械性能要求，將使用較低的鍛造溫度。
隨著溫度的降低，IN-625合金變形需要的流動應力迅速增加。相反的，在較高溫度下鍛造高溫合金充滿模具型腔過程具有低的流動應力，需要鍛造載荷也較低。高溫鍛造減少了模具中的應力，從而增加了模具壽命。因此，從模具的角度來看，較高的鍛造溫度是優選的。
不幸的是，這些相互競爭的過程正朝著相反的方向發展。鍛造溫度越低，晶粒越細，強度性能越好。而較高的鍛造溫度又能提高模具壽命。
合金的鍛造過程是通過動態、亞動態和靜態再結晶來細化晶粒尺寸。沒有簡單的設計方法可以確保鍛件在不損壞模具的情況下滿足機械性能要求。
在DEFORM模擬中，JMAK模型提供了鍛件晶粒尺寸的實際估計。DEFORM模擬還允許借助模具應力分析來預測模具失效的可能性。因此，鍛造工程師可以研究折衷方案以成功地鍛造IN-625合金零件。
美國DF公司在生產一個IN-625合金的鍛件時，由于零件為了滿足強度要求，需要在低溫下鍛造，但在鍛打過程中存在嚴重的模具失效問題。
展開 西工大《Scripta Mater》：揭示鎳基高溫合金γ/γ′界面的Re偏析！
雖然在鎳基單晶(Ni-SX)高溫合金的設計和開發中不考慮晶界的影響，但合金的失效行為仍然很復雜，涉及許多微觀效應，其中之一是基體擴散控制的γ′析出相的粗化行為。大量實驗表明，錸(Re)的加入能夠顯著降低γ′相的粗化動力學。已有研究表明，在Ni-Al-Cr合金中加入2% Re使γ′粗化動力學降低了約兩個數量級，然而對反應機理仍有不同的看法。在大多數報道中認為Re降低合金的擴散系數，從而提高高溫穩定性，有效地阻礙了γ′粗化。然而另有報道認為在γ基體中其他溶質的擴散率幾乎不受Re的影響。因此，Re對γ/γ′相的影響機理仍有待進一步研究和探索。
西北工業大學的研究人員揭示了Ni-SX高溫合金在長期時效過程中，界面上Re偏析的形成，深入探討了Re在Ni-SX合金中的作用，成功地確定了Re在γ/γ′界面的偏析現象以及Re與γ′粗化的相互影響。相關論文以題為“Unveiling the Resegregation at γ/γ′ interface inNi-based superalloy”發表在Scripta Materialia。
展開 鎳基高溫合金waspaloy(也叫GH4738)的J-C損傷參數d1-d5 ￥150
請問一下，誰有鎳基高溫合金waspaloy(也叫GH4738)的J-C損傷參數d1-d5?150rmb
Arconic開發出新型高溫航空用鈦合金
先進鈦合金,已獲得商業許可。該合金被設計應用于高溫用途的下一代航空發動機和鄰近結構中。正值下一代航空發動機火熱運行中，ARCONIC-THOR是一種更輕，更具成本效益的新型鈦合金，來替代當前的鎳基超級合金。這項專利的鈦合金比當前鎳基合金輕50%，更適合用于耐高溫航空發動機和鄰近結構中，并且可以為客戶節約成本，使公司抓住發動機和機身材料市場的需求。
ARCONIC-THOR是一款具有突破性的航天材料，其性能是傳統合金所不及的，Arconic工程結構的總裁Jeremy Halford稱，下一代節油型航空發動機廣泛使用，對排氣系統材料和相鄰結構的材料選擇是一個挑戰。利用我們的材料科學專業知識，我們的工程師研發的ARCONIC-THOR?強大的鈦材解決方案，可以承受受熱量和相當大的重量，為我們的客戶節約成本。
在Arconic的專利合金范圍內，的特殊專利配方與現有的高溫合金相比，它的抗氧化性提高了三倍。這種改進的抗氧化性可以防止在溫度升高時材料變質，相比于市場上其他傳統的鈦合金，ARCONIC-THOR合金在耐用溫度時能更好的運行。
Arconic已經與客戶合作完成了開發項目ARCONIC-THOR，其中包括由美國空軍研究實驗室資助的飛機項目制造商波音和飛機發動機制造商霍尼韋爾，其中我們采用ARCONIC-THOR板材生產全部大型零部件。聯合材料負擔能力倡議(MAI)項目驗證了ARCONIC-THOR作為一種可生產、高抗氧化鈦合金在溫度高達200°F以上具有可接受的抗氧化性。項目進一步得出結論ARCONIC-THOR顯著降低了重量并改善了部件性能。
汽車工程師學會-航空航天材料規范鈦和難熔金屬委員會(SAE-AMS)最近批準了標準航空材料規范(AMS) 6953用于ARCONIC-THOR 板材。
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