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是什么讓"鎳基合金"無懼"高溫"？

2016-02-29 11:44:34 作者：本網整理來源：

高溫合金的開發與研究是飛行器、探測器飛向宇宙、航空航天工業走向成功的關鍵。高溫合金是指能夠在 600℃溫度以上條件下可以正常工作，并可以承受加大應力，有一定耐腐蝕性、抗氧化性等良好高溫性能的合金。高溫合金主要應用在航空航天發動機中，其中渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、燃燒室等部件幾乎由高溫合金制成。主要包括鐵基系列高溫合金，鈷基系列高溫合金以及鎳基系列高溫合金，其中鎳基高溫合金擁有良好的組織結構及蠕變性能，是作為航空發動機的首選材料，幾乎超過40% 的高溫合金均為鎳基高溫合金。

鎳基高溫合金葉片

一枝獨秀--鎳基單晶高溫合金

鎳基高溫合金

鎳基高溫合金主要成分為 Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素，基體為鎳元素，含量在 60% 以上，主要工作溫度段在 950℃ -1100℃，在此溫度段內服役時，其有較高的強度，較強的抗氧化能力以及抗腐蝕能力。

60 年代初期，最早的 80Ni-20Cr鎳基高溫合金葉片在工作中有斷裂情況發生，研究發現，合金中境界出雜質較多，原子擴散速率較快，晶界成為在鎳基高溫合金服役中易發生裂紋的關鍵困擾因素。

20 世紀80 年代，凝固技術制備的鎳基單晶高溫合金開始登上歷史舞臺，引領鎳基單晶高溫合金不斷發展，合金的成分有了很大的變化。到今天為止鎳基單晶高溫合金已經發展到第 5 代。

迎刃而上，無懼高溫

鎳基高溫合金

經過數代科學工作者的悉心研究，鎳基合金在成分設計的推動和發展下走向高溫。

（1）C、B、Hf 等元素的添加。

由于，在單晶鎳基合金中添加極少量的C、B、Hf 等元素，有助于強化晶界，在一定程度上提高合金的性能；

（2）難溶元素（Mo、W、Re、Ru）成分的不斷增加。

W、Mo、Re 都對鎳基單晶高溫合金的高溫性能有較強的增益作用，但這些元素也會促進 TCP 相的形成，所以如何在增加難溶元素含量的前提下，抑制 TCP 相的生成是當代鎳基單晶高溫合金設計的一個課題。

到第 5 代鎳基單晶高溫合金，難溶元素的含量達到了 26.2%。Re 元素從第一代的零添加到第 5 代添加了 6%，雖然Re 元素比較昂貴，但對合金高溫性能有較強的提高作用。Mo、W 的含量基本沒有變化 ,起到固溶強化的作用。神奇的Ru盡管是難溶元素，但不會促進 TCP 相的生成，反而促進合金成分的均勻化，抑制 TCP 相的生成。展現理想功效的稀土Ru元素將是當代鎳基單晶高溫合金發展的趨勢。

（3）Cr 元素含量降低。

Cr 元素是抗腐蝕元素，研究表明當 Cr 含量在 5% 以下時合金的抗腐蝕及抗氧化性能急速下降，這是因為Cr元素會促進TCP 相的生成。接著人們發現通過添加Re、Ta 元素可以抑制Cr元素的擴散速度，提高組織穩定性，從而提高鎳基合金抗腐蝕性能及抗氧化性能。

鎳基高溫合金的發展趨勢

（1）更高的高溫性能。

航空航天用的高溫材料需要更高的承溫能力，更高的蠕變性能；

（2）更好的抗腐蝕性能、抗氧化性能。

在合金設計中盡量少添加 Cr 元素，通過添加難溶元素來提高合金的抗腐蝕性能及抗氧化性能，或者進行表面防護涂層；

（3）發展低密度的鎳基高溫合金。

重量的增加會增大葉片在轉動過程中產生的離心力，增加葉片的負載，從而降低葉片使用壽命，所以發展低密度的鎳基高溫合金是很有必要的；

（4）發展低成本的鎳基高溫合金。

隨著鎳基高溫合金的不斷發展，Re 元素的含量越來越大，而 Re 元素在地球上含量較少，價格較昂貴，如何通過 Ru 元素的添加來提高鎳基單晶高溫合金的性能從而減少甚至不添加 Re 元素已降低鎳基單晶高溫合金的成本是未來的發展趨勢之一。

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