WANG Hai - ying (Baoshan Iron & Steel Co. , Ltd. Special Steel Branch Reseerch & Development Center ,shanghai 200940 ,China)
Synopsis :High temperature materials containing niobium represent a very important integral part of aerospace materi2 als. They are very widely used to make major components and parts of aircraft engines , turbine discs , gas turbines , high temperature structures in nuclear industry , et al. Three main high temperature materials containing niobium : nickel - based superalloys , niobium - based alloys andγ- TiAl based alloys were reviewed. The most recent results of current products re2 search and development programs for each alloy group have been introduced.
关键词 :含铌高温材料 ;镍基高温合金 ;铌基合金 ;高铌γ- TiAl 合金 中图分类号 :V257 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 1447 (2005) 04 - 0054 - 05
THE PRO GRESS IN RESEARCH OF HIGH TEMPERATURE MATERIALS CONTAINING NIOBIUM
Keywords :high temperature materials containing niobium ;nickel - based superalloy ;niobium - based alloy ;high Nb containingγ- TiAl based alloy
1 前 言
表 3 显示在 704 ℃时 718Plus 合金的断裂时 间和抗蠕变性远好于 718 合金 。704 ℃时 Was2 paloy 的断裂时间和 718Plus 合金相同 ,718Plus 合 金的抗蠕变性能略好一些 ,持久塑性也很好 。
718Plus 合金的 成 本 在 718 合 金 和 Waspaloy 之间 。当气轮发动机工作温度更高时 ,718Plus 可 以取代 718 合金 。该合金适用于目前任何由 718 合金制造的部件 ,产品有环 、壳体 、盘 、叶片 、轴 、紧 固件和结构预制件 。
Waspaloy 6 C 1 087. 44 1 442. 1 27. 0 45. 4 978. 8 1 342. 74 22. 8 32. 0 885. 27 1 088. 13 38. 6 55. 4
注 :A. 标准 718 热处理 :954 ℃/ 1 h/ 空冷 + 718 ℃/ 8 h/ 炉冷 38 ℃/ h 到 621 ℃/ 8 h/ 炉冷 B. 954 ℃/ 1 h/ 空冷 + 788 ℃/ 2 h/ 炉冷 38 ℃/ h 到 649 ℃/ 8 h/ 炉冷 C. 标准 Waspaloy 热处理 :1 018 ℃/ 1 h/ 水冷 + 843 ℃/ 4 h/ 空冷 + 760 ℃/ 16 h/ 空冷
B
18. 00 2. 75
1. 0
9. 0 10. 00 5. 45 0. 70 1. 45
B
19. 40 4. 25
-
13. 25
-
-
3. 00 1. 30
P 0. 007 0. 014 0. 006
%
B 0. 004 0. 004 0. 006
表 2 718 合金 、Allvac ○R718PlusTM和 Waspaloy 的拉伸性能比较
2 含铌镍基高温合金
高温合金是以铁 、镍 、钴为基 ,具有良好的高 温强度 、抗氧化抗腐蚀等综合性能的一种金属材 料 ,可在 600 ℃以上和一定应力条件下长期工作 , 是制造航天航空发动机高温部件的关键材料 ,也 是制造工业燃气轮机发电设备 、化工设备等高温 耐腐蚀部件用材 ,其中镍基高温合金的使用范围
由于主要强化相γ″的快速过时效和相变到 粗糙 、稳定并有较小强化作用的δ相 ,718 合金的 使用 温 度 限 制 在 649 ℃[2] 。当 在 704 ℃ 保 温 5 000 h后 ,拉伸屈服强度下降了 40 %。有数据显
示 ,与时间有关的特性例如应力断裂和蠕变下降 得更快 。
美国 Allvac 公司从 1997 年开始在 718 合金基 础上 ,经过多年努力研制出 Allvac ○R718PlusTM , 将 718 合金使用温度提高了 38 ℃,同时保留 718 合 金固有的高强度 、可焊性和价格适中的特性[2] 。 Allvac ○R718PlusTM与 718 合金和 Waspaloy 的化学成 分比较见表 1 。
作者简介 :王海瑛 (1972 - ) ,女 ,上海人 ,工程师 ,主要从事冶金信息研究工作.
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718 合金 6 A 1 202. 67 1 460. 04 20. 2 40. 6 1 008. 78 1 134. 36 20. 8 28. 3 937. 02 1 015. 68 20. 3 27. 5
718Plus 7 B 1 205. 43 1 509. 72 21. 9 35. 7 1 023. 96 1 306. 17 23. 7 27. 3 1 006. 02 1 175. 07 24. 1 30. 7
磨蚀材料。据报道 ,火力发电站的污染控制装置将 是 Inconel 625 这类合金的主要用途[1] ,同时也是汽 车 (如高温情况) 排气系统的一种材料选择 。 2. 1 美国 718 合金的最新进展
美国在高温合金的研究应用方面一直处于领 先地位 ,据报道 ,其研制成功的 718 合金目前使用 量可能超过整个高温合金用量的 60 %[2] 。718 合 金可进行锻造 、铸造或制造成最后成品 。该合金 拥有独特的机械性能 ,价格适中 ,良好的热加工 性 ,是镍基高温合金中最易焊接的合金 。718 合 金已被选为 GE 公司新发动机产品家族 GE - 1 (现 已成为 TF39 军用机和 CF6 商业机的核心部件) 和 GE - 4 (超音速运输机) 的重要原材料 ,并用于 F 117 飞行发动机尾喷管与蜂窝夹层板 。
表 3 718 合金 、Allvac ○R718PlusTM和 Waspaloy 的 应力断裂和蠕变性能比较
合金
晶粒 热处 704 ℃(552 MPa) 度 理 寿命/ 延伸
h 率/ %
718 合金 6 A 157. 9 19. 5
718Plus 7 B 433. 1 35. 4
Waspaloy 6 C 430. 5 27. 8
Inconel 706 合金是美国国际镍公司于 20 世纪 60 年代在 Inconel 718 合金的基础上 ,为改善机加工 性能发展的一种沉淀强化型镍基高温合金 。其合 金成分与 Inconel 718 相比 ,不含 Mo ,降低了 Ni 、Cr 、 Nb 含量 ,增加了 Ti 、Fe 含量 ,改善了切削性能 ,主要 作为 650 ℃左右使用的材料 。通用电器的 F - 发动 机就采用该合金作为主壳 。Inconel 625 合金用作耐
蠕变 704 ℃(483 MPa)
t0. 1/ h
16. 5 81
79. 1
t0. 2/ 蠕变速率 h
29. 0 8. 70 ×10 - 5 226. 4 6. 88 ×10 - 6 124. 0 2. 20 ×10 - 5
注 :热处理 A、B Байду номын сангаасC 见表 2 注 。
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不 同 温 度 下 拉 伸 性 能
合金
晶粒 热处
20 ℃
度/ 级 理 屈服强 极限抗拉 延伸
649 ℃ 断面收缩 屈服强 极限抗拉 延伸
704 ℃ 断面收缩 屈服强 极限抗拉 延伸
断面收缩
度/ MPa 强度/ MPa 率/ % 率/ % 度/ MPa 强度/ MPa 率/ % 率/ % 度/ MPa 强度/ MPa 率/ % 率/ %
2. 2 我国含铌镍基高温合金的研究和发展 目前 ,我国正在开发一种用于 680～700 ℃盘
件生产的新型 Inconel 718 (中国牌号 GH4169) 合 金[3] 。该改型合金基于 Ni - 19Cr - 18Fe - 3Mo B , w (Nb) 较高 ,为 5. 2 %～5. 5 %。Nb + Ti + Al 摩尔分数控制在 6. 5 %～7. 5 %范围内 , (Al + Ti) / Nb 原子比控制在 1. 1～1. 4 范围内 , w (W) 1 %～2 % ,为增强固溶强化效果 ,有时添加低含 量的 Co ,一定含量的 P (质量分数) (100 ×10 - 6～ 150 ×10 - 6) 作为该新型合金的晶界强化元素 。该 改型 718 合金的科研开发目的在于提高合金性能 以得到高质量特别是更长的应力断裂寿命及提高 650～700 ℃的温度特性 。