3.4.2镍基高温合金和合金化原则
γ‘ 相的强化作用
改善晶界偏析的两种途径:
第一，50年代后期,将大气熔炼改成真空熔炼，减低损害 合金性能的化学偏析、脆性金属间化合物或低熔点共晶的 数量。
其次，发展定向凝固技术以形成柱晶的高温合金而消除弱 的横向晶界。随后发展了单晶技术。
3.4.2 铸造高温合金
3.3.3新型高温钛合金的发展思路
提高钛合金耐热性的两个障碍： 一、蠕变 二、热稳定性
什么是金属的蠕变?
金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下， 发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。
产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性 极限。
由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑 性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展 阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失
1、普通铸造
第三章 高温金属结构材料
3.1引言
航空材料特点： 可靠性 比强度和比刚度高 耐高温 抗疲劳 耐腐蚀 长寿命 低成本
3.2 航空航天高温结构部件的工作特点及对材料的 要求
3.2.1高温结构部件的使用特点
美国国防部要求新一代航空发动机除保证超音速巡 航和超低空突防等能力外，还要求发动机：
铸造β钛合金
Ti153合金：时效效果好，拉伸强度高，有 与Ti－6Al－4V相同的断裂韧性和更好的疲 劳性能。
3.4镍基高温合金
3.4.1高温合金
高温合金的基本要求：
1、具有较高的热稳定性，即在高温下具有抗腐蚀能力 2、具有高的热强度。即在高温下具有高的抵抗塑性变形
和断裂的能力。 3、具有良好的工艺性能。即在冶炼、铸造、热压、焊接
性，改善热稳定性。
Gd2％－强度、塑性和蠕变性能的最佳配合 Y－改善热稳定性和抗蠕变性能。
新的合金元素应具备这样的条件：
在 Ti中应该具有较大的溶解度，
并有较好的强化作用，但形成Ti3X 相的倾 向要比Al、Sn小得多，尽可能避免带来组 织不稳定。
目前，探索到的新合金有Ga、Zn、Pb、 Sb、Bi等。
铸造α钛合金 Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 500℃
400℃
三种型壳系统
纯石墨型壳系统：导热率高，易产生流痕 和浇不足缺陷。
钨面层型壳系统：原材料昂贵、来源困难、 生产周期长。
氧化物陶瓷型壳系统：原材料来源丰富， 能够浇注形状复杂、薄壁铸件。
金属间相的析出 相的分解 相的聚集和粗化 相的溶入和再析出 有序－无序转变 材料氧化 应力－腐蚀裂纹
发动机材料服役环境： 高温 高载荷 高氧化腐蚀 高性能重量比 高可靠性 高寿命
选择材料的出发点：
3.3 高温钛合金
3.3.1高温钛合金的应用概况 近α钛合金 β钛合金 近β钛合金
产生背景：
20世纪60年代，变形高温合金中铝、钛、铬、钼、钨的 含量不断提高，塑性变形阻力增大，难以进行锻造、轧制 等热加工，或者在加工过程中出现热裂纹和崩裂。
铸造高温合金可以熔人更多的固溶强化元素和第二相强化 元素，使工作温度达到1000℃左右，超过变形高温合金 50－100℃。
铸造高温合金通过精密铸造工艺较容易制成空心或多孔型 叶片，通过对流和气膜冷却，进一步提高了材料的工作温 度。
抗氧化性涂层
渗铝涂层 Pt、Au涂层
Al2O3、ZrO
3.3.4阻燃钛合金
钛合金的自燃特性 美国ALLOYC(Ti-35V-15Cr) 俄罗斯 BTT－1和BTT－3。 我国，Ti－40，Ti4
阻燃合金元素
Cr 铬、钒、钼绝热燃烧温度低于纯钛，可抑
制燃烧蔓延。
3.3.5铸造热强钛合金
3.3.2高温钛合金合金化历程
英美 1954年 美国 Ti-6Al-4V 350－450℃ 60年代 Ti-6246 Ti-6242 450－500℃ 70年代 Ti-6242S 英国 IMI679和IMI685 500℃ 70～80年代期间 IMI829、IMI834和Ti-1100 近600℃ 俄罗斯 早期 BT3-1 400－500℃ 1958年 BT8、BT9 450－500℃ 后来 BT18T、 BT19Y、BT36 600℃
能等）
三高：高推重比，高压比，高涡轮前温度
60年代末，发动机部件的强度设计经历了由强度估算到损 伤容限设计的发展阶段。
3.2 先进高温结构材料的设计原则
发动机高温部件：
压气机、机匣、涡轮、 喷嘴、燃烧室
高温及应力作用下，材料的组织结构不断发生变化，如高温 合金中发生的显微结构的不稳定性，包括：
热稳定性问题
所谓热稳定性问题是指合金在高温下长期 热暴露后因内部析出脆化相和表面被氧化 而变脆。
影响热稳定性因素：
首先，追求强度而采取的高合金化，促使生成非平衡亚稳 组织，合金长时间工作后脆性相析出，导致不稳定；
高温下氧的渗入，在合金表面形成一个富氧层，导致了合 金表面的不稳定。
Si－提高高温抗蠕变性 稀土－强化基体；细化晶粒，提高抗疲劳
和切削加工等方面，要有满意的工艺性。
热强度及其指标
1、蠕变强度 2、持久强度 3、高温短时强度和高温疲劳强度
提高热强性的途径
从热稳定性方面来说，主要是加铬提高抗蚀性。 从热强度方面来说：
1、用熔点较高的金属作为高温合金的基体。 2、对基体金属进行合金化：强化基体，提高再 结晶温度；加入合金元素强化晶界。 3、利用铸造组织。 4、热处理。
F119就是在这种背景条件下研制成功的第一台全新设计的 西方第四代航空涡扇发动机。
燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能：
高的抗氧化能力（即高的热稳定性） 足够的热强性（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的
能力） 满意的塑性和韧性； 更高的热疲劳性（即对能引起热应力的热交换的敏感性要
低） 足够高的低循环疲劳强度 良好的耐蚀能力（保持叶片的空气动力性能） 高的导热性和低的热膨胀系数 良好的工艺性能（即良好的焊接性能，锻造性能及铸造性