变形高温合金的特性

变形高温合金的特性、分类及用途高温合金是根据航空喷气发动机的需要而发展起来的一种金属材料，它可在600～1100℃的高温氧化和燃气腐蚀条件下，承受复杂应力，并长期可靠地工作。主要用于航空发动机的热端部件，也是航天火箭发动机、工业燃气轮机、能源和化工等工业的重要材料。在先进的航空发动机中，高温合金的用量占金属材料总用量的40%～60%。在先进工业国家，如美国，航空航天用高温合金占其总用量的85%左右。高温合金是一种兼有热稳定性和热强性的合金。热稳定性是指金属材料在高温下抗氧化或抗气体腐蚀的能力；而热强性是指金属材料在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。金属的热稳定性常用称重法来评定，在高温下金属单位时间、单位面积上的失重或增重越大，表示抗氧化性越差，即热稳定性越差。热强性的评定指标包括蠕变极限、持久强度、高温瞬时强度、高温疲劳强度等。蠕变极限表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗塑性变形的能力；持久强度表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗断裂的能力；高温瞬时强度（σb和σ0.2）表征高温下材料在瞬时过载时抵抗塑性变形和断裂的能力；高温疲劳强度是指在规定循环次数下（一般为107次）不引起断裂的应力。高温合金分为变形高温合金和铸造高温合金。变形合金按基体元素的不同，可分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金和钴基变形高温合金，按合金的高温性能、成形特点及用途的不同，变形高温合金又可分为热稳定变形高温合金和热强变形高温合金。热稳定变形高温合金的特点是热稳定性很高，通常在固溶状态下使用，强度虽不高，但塑性很好，可顺利地进行深冲压，主要用于受力不大而工作温度很高的零件，例如燃烧室火焰筒及加力燃烧室等。热强变形高温合金的特点是热强度较高，通常在淬火、时效状态下使用，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力的零件，例如涡轮叶片、涡轮盘等。我国的新标准规定，变形高温合金的牌号以汉语拼音字母“GH”后接四位阿拉伯数字来表示。“GH”后第一位数字表示分类号，其中1表示固溶强化型铁基合金；2表示时效强化型铁基合金；3表示固溶强化型镍基合金；4表示时效强化型镍基合金。“GH”后第二、三、四位数字表示合金的编号。例如GH2036，GH4033等，其相应的旧牌号为GH36，GH33等。我国于20世纪50年代开始研制高温合金，到目前已有40多种变形高温合金。航空工业中常用的铁基、镍基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度，见表1和表2。燃烧室用合金主要有GH3030、GH3039、GH1140、GH3044、GH1015、GH1016、GH22、GH163、GH2302、GH170等。涡轮工作叶片大多采用时效强化型变形合金，如GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH151、GH143、GH2130、GH2302、GH738、GH118、GH220、GH710等。涡轮盘材料大多采用铁-镍基沉淀强化合金（750℃以下），如温度更高，则采用镍基合金或粉末涡轮盘材料。涡轮盘常用合金有GH2036、GH4033、GH2132、GH2135、GH901、GH4133、GH761、GH698、GH710等。表1常用铁基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度合金牌号化学成分/（%）使用温度CCrNiMnWMoAlTiVB其他Al+Ti+Nb℃GH1015≤0.0819～2234～39≤1.54.8～5.82.5～3.2≤0.01Nb1.1～1.6～1.6950GH1016≤0.0819～2232～36≤1.85～62.6～3.30.1～0.3≤0.01Nb0.9～1.4～1.4950GH1040≤0.1215～17.524～271～25.5～7.5Nb0.1～0.2600GH20360.34～0.411.5～13.57～97.5～8.51.1～1.4≤0.121.25～1.55Nb0.25～0.5～1.4650GH2132≤0.0813.5～1624～271～21～1.5≤0.41.75～2.31.25～1.550.001～0.01～2.2700GH2136≤0.0613～1624.5～28.5≤0.351.0～1.75≤0.352.4～3.20.01～0.10.005～0.025～3.0700GH2135≤0.0614～1633～36≤0.41.7～2.21.7～2.22.0～2.82.1～2.5≤0.015Ce≤0.03～4.7700～750GH9010.02～0.0611～1440～45≤0.45～6.5≤0.32.8～3.10.001～0.02～3.2750GH2130≤0.812～1635～40≤0.55～6.51.4～2.22.4～3.2≤0.02Ce≤0.02～4.6800GH2302≤0.0812～1638～42≤0.63.5～4.51.2～2.51.8～2.32.3～2.8≤0.01Zr≤0.05～4.6800GH11400.06～0.1220～2335～400.70.4～1.82.0～2.50.2～0.60.7～1.2Ce≤0.05850GH7610.02～0.0712～1442～452.8～3.21.4～1.91.4～1.853.25～3.65≤0.01Ce≤0.03～5.0750GH9070.01～0.0237.60.05＜0.21.530.006Co13.4,Nb4.89650表2常用镍镍变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度合金牌号化学成分/（%）使用温度CCrCoWMoAlTiFeNbB其他℃GH3030≤0.1219.0～22.0≤0.150.15～0.35≤1.0800GH4169≤0.0817.0～21.02.8～3.30.2～0.80.65～1.1517.0～20.04.75～5.55≤0.01-253～703GH3039≤0.0819.0～22.01.8～2.30.35～0.750.35～0.37≤3.00.9～1.3850GH3044≤0.123.5～26.513.0～16.0＜1.5≤0.50.3～0.7≤4.0900GH3128≤0.0519.0～22.07.5～9.07.5～9.00.4～0.80.4～0.8≤1.00.005Zr0.04Ce0.05950GH4033≤0.0619.0～22.00.55～0.952.2～2.7≤1.0≤0.01Ce≤0.01700～750GH4133≤0.0719.0～22.00.7～1.22.5～3.0≤1.51.15～1.65≤0.01700～750GH4037≤0.113.0～16.05.0～7.02.0～4.01.7～2.31.8～2.3≤0.5≤0.02V0.01～0.2Ce0.02800～850GH4049≤0.079.5～11.01.40～16.05.0～6.04.5～5.53.7～4.41.4～1.9≤1.50.015V0.2～0.5Ce0.02900GH1410.06～0.1218.0～20.010.0～12.09.0～10.51.4～1.83.0～3.5≤5.00.003～0.01900GH1510.05～0.119.5～10.015.0～16.56.0～7.52.5～3.15.7～6.20.71.95～2.350.012～0.02Zr0.03～0.05Ce0.02950GH118≤0.2014.0～16.013.5～15.53.0～5.04.5～5.03.5～4.5≤1.00.01～0.2Zr≤0.15950GH7380.03～0.118.0～21.012.0～15.03.5～5.01.2～1.62.75～3.25≤2.00.003～0.03Zr0.02～0.08815GH698≤0.0813.0～16.02.8～3.21.3～1.72.35～2.75≤2.01.8～2.2≤0.005Ce≤0.005550～800GH220≤0.089.0～12.014.0～15.05.0～6.55.0～7.03.9～4.82.2～2.9≤3.0≤0.02V0.2～0.8900～950