俄羅斯航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域大伽 法沃爾斯基 的這句名言廣為人知，這一理念也在米高揚(yáng)設(shè)計的米格-25戰(zhàn)斗機(jī)上得到完美體現(xiàn)。和常規(guī)設(shè)計使用鋁合金不同，米格25機(jī)身大量使用了超重的不銹鋼材料。盡管空載重量已經(jīng)接近20噸，但它仍能輕易突破3倍音速，這不得不歸功于它搭載的強(qiáng)大發(fā)動機(jī)—— R-15-300。

 

ps：米格25之所以使用不銹鋼，主要是因為飛行速度突破“熱障”后導(dǎo)致機(jī)身溫度過高，鋁合金無法承受。

航空發(fā)動機(jī)上的“超級合金”

超級合金（superalloy），又叫高溫合金，熱強(qiáng)合金，被大量應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)制造中，如渦扇、燃燒室部件等。

 

鑒于超級合金目前的市場需求主要都是軍用產(chǎn)品，由于其軍工價值所以也被視為戰(zhàn)略物資，買賣這種材料被視為與武器貿(mào)易相同等級來加以管制，而配方與制造方法、加工使用都是重要機(jī)密，各航空大國都在極其保密的條件下研制。

超級合金有什么特點(diǎn)？

卓越的力學(xué)性能，耐高溫蠕變性能，出色的表面穩(wěn)定性和耐腐蝕（氧化）性能。通俗地表達(dá)就是：強(qiáng)壯、耐高溫、耐腐蝕。

高溫合金其典型的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方奧氏體。

常見的超級合金有哪些

 

1） 哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）

2） 因科鎳合金（Inconel）

3） 沃斯帕洛伊合金（Waspaloy）

4） 海恩斯合金（Haynes alloy）

5） 因科洛伊合金（Incoloy）

6） 雷內(nèi)鎳基高溫耐蝕合金（Rene alloys）

7） MP98T（由美國SPS技術(shù)公司開發(fā)，可以承受高壓氫環(huán)境，如使用氫作為燃料的火箭發(fā)動機(jī)，防止變脆）

8） TMS合金（TMS alloy，日本國家金屬材料研究所開發(fā)的單晶高溫合金）

9） CMSX單晶合金（美國Cannon-Muskegon公司開發(fā)的單晶高溫合金）。

超級合金的研發(fā)思路

 

超級合金的這些特點(diǎn)來源與化學(xué)成分和制造工藝的創(chuàng)新。

卓越的力學(xué)性能和高溫強(qiáng)度主要是通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化達(dá)到，如γ相析出和碳化物的析出。

其耐蝕性或耐氧化性的貢獻(xiàn)主要來自于組成超級合金的化學(xué)元素的貢獻(xiàn)，例如鋁和鉻。

超級合金的分類

 

按基體組織分類：鐵基、鎳基和鈷基。

按生產(chǎn)方式分類：鑄造高溫合金、變形高溫合金和粉末高溫合金。

按強(qiáng)化機(jī)理分類：碳化物強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。

超級合金的用途

 

這種材料一般用于航空和航海用發(fā)動機(jī)耐高溫材料的制造，特別是噴氣發(fā)動機(jī)最后兩級壓氣機(jī)和最初兩級渦輪葉片、燃燒室、加力燃燒室、渦輪盤、渦輪葉片及緊固件的制造。

中國高溫合金自成系列

 

變形高溫合金

 

用GH后面跟4位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

第一位是1，表示鐵基固溶強(qiáng)化高溫合金。

第一位是2，表示鐵基時效強(qiáng)化高溫合金。

第一位是3，表示鎳基固溶強(qiáng)化高溫合金。

第一位是4，表示鎳基時效強(qiáng)化高溫合金。

變形高溫合金

 

如果用作焊絲，在GH前添加H表示。

鑄造高溫合金

 

用K后面跟3位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

第一位是2，表示鐵基時效強(qiáng)化高溫合金。

第一位是4，表示鎳基時效強(qiáng)化高溫合金。

常見的超級合金詳情大解析

 

1） 哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）

 

哈氏合金的分類

 

我們常說的哈氏合金，其實(shí)分為兩類產(chǎn)品，分別是耐高溫的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蝕的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）。

耐腐蝕哈斯特洛伊合金HASTELLOY

Hastelloy alloy是Haynes International,Inc.所生產(chǎn)的鎳基耐蝕合金的商業(yè)牌號的統(tǒng)稱。

1922年，HASTELLOY? 商標(biāo)正式注冊，該名稱取自Haynes Stellite Alloy，即“HAYNES STELLITE ALLOY” = HASTELLOY。

 

HASTELLOY包括鎳鉬系HASTELLOY B-3合金，鎳鉻鉬系HASTELLOY C-4 合金，鉻鎳鐵系HASTELLOY G-30合金等。

HASTELLOY的屬性包括高耐持續(xù)侵蝕特性，突出的耐局部腐蝕性， 卓越的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，和易于焊接和加工的特性。（鹽酸、硫酸、磷酸等各種酸都hold的住。）除軍事用途外，目前該系列合金已廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)，也越來越多應(yīng)用于能源，健康和環(huán)境，石油天然氣，制藥和廢氣脫硫工業(yè)等領(lǐng)域。

哈氏合金典型牌號及應(yīng)用特點(diǎn)

 

 

2） 因科鎳合金（Inconel）

 

因科鎳合金是英文Inconel的中文音譯，它本質(zhì)上是一組 奧氏體 鎳-鉻基 超級合金的統(tǒng)稱。

Inconel系列最早開發(fā)于1940年代，是英國赫里福德 （Hereford, England）的威金斯合金廠（Wiggin Alloys）研發(fā)的產(chǎn)品，以支持惠特爾噴射引擎（Whittle jet engine）的相關(guān)研究。

該廠后來被美國的特殊金屬公司（Special Metals Corporation）收購。

因科鎳合金（Inconel）的特點(diǎn)

 

Inconel的特點(diǎn)和哈氏合金類似，或者說這是超級合金之所以被冠以“超級”兩字的原因：和其他金屬材料比更加耐氧化、耐腐蝕。

常見工程金屬材料（如鋼、鋁等）只要遇上高溫，往往晶體內(nèi)部就開始產(chǎn)生晶格空穴缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重蠕變現(xiàn)象。通俗地說，就是會在高溫下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，使制造出來的產(chǎn)品失去原來的功能。

 

舉個典型應(yīng)用的例子

 

大家都知道航天飛機(jī)發(fā)射前必須固定在發(fā)射平臺上。怎么固定呢？用8個大型雙頭螺栓，通過機(jī)械連接來支撐整個待發(fā)射航天飛機(jī)系統(tǒng)的重量。

發(fā)射場通常建設(shè)在荒漠中，環(huán)境惡劣，發(fā)射時溫度也相當(dāng)高，所以這8個雙頭螺栓用的可不是普通材料。它不但要有一定的強(qiáng)度，還要耐高溫、耐腐蝕、適應(yīng)高壓高動能要求，只能使用因科鎳合金制造。

8個巨大的因科鎳螺栓用易碎螺母固定，在發(fā)射時通過爆炸物分離螺母，就能釋放發(fā)射平臺上的航天飛機(jī)了。

 

因科鎳合金的特性和原理

 

耐蝕性：

Inconel受熱時，合金表面會鈍化出一層又厚又穩(wěn)定的鈍化氧化層，保護(hù)合金內(nèi)部不受腐蝕。

耐高溫：

不同類別的Inconel，利用固溶強(qiáng)化或析出硬化的機(jī)制在高溫下維持良好機(jī)械性質(zhì)。Inconel在很廣的溫度范圍內(nèi)，能維持良好的力學(xué)性能。

這使得因科鎳合金適用于各種高溫、高壓的嚴(yán)苛環(huán)境。這是常見的工程金屬材料如鋼、鋁等所做不到的。

小知識

 

1、工程上有時簡稱Inconel為“Inco”（或誤拼為“iconel”）。常見的因科鎳625合金商標(biāo)名包含：

Inconel 625, Chronin 625, Altemp 625, Haynes 625, Nickelvac 625 及 Nicrofer 6020等。

2、不同型號的Inconel有著大不相同的化學(xué)成分，然而皆由鎳為主成分，而鉻占比第二。

3、對采取析出強(qiáng)化或時效強(qiáng)化作為強(qiáng)化機(jī)制的這些Inconel而言，少量鈮和鎳結(jié)合，形成金屬間化合物Ni3Nb或稱為γ‘相。

γ’相會長成細(xì)小的立方晶胞，在高溫下有效阻止滑移和蠕變的進(jìn)行。γ‘相會隨時間長大，特別是暴露于850℃的熱環(huán)境3小時后，并在暴露于72小時后繼續(xù)長大。

這是因科鎳耐高溫的主要原理。

因科鎳合金的應(yīng)用主要介紹4個方面：用途（典型應(yīng)用）、連接（比如焊接）、加工（比如削切）、典型牌號及其特點(diǎn)。

因科鎳合金通常使用在各種極端環(huán)境中

 

例如：

燃?xì)鉁u輪機(jī)：葉片，密封和燃燒室，渦輪增壓機(jī)的轉(zhuǎn)子和密封，電動潛水深井泵：馬達(dá)軸，高溫緊固件；化工和承壓容器熱交換器：管道系統(tǒng)；蒸汽發(fā)生器和核電站：壓水反應(yīng)堆的核心部件。

各種含H2S and CO2天然氣的處理裝置。

以及

 

槍炮消聲器導(dǎo)流板；F1賽車， NASCAR, NHRA和APR, LLC的排氣系統(tǒng)；第三代馬自達(dá)Mazda RX7的渦輪增壓系統(tǒng)；配置高功率旋缸發(fā)動機(jī)的Norton摩托車排氣系統(tǒng)（尾氣溫度高達(dá) 1000℃）。

甚至

 

在垃圾焚化爐鍋爐系統(tǒng)中的用量也在不斷增加。

歐洲環(huán)流器和通用原子能公司DIII-D（聚變反應(yīng)堆）托卡馬克真空容器也是用Inconel制造的。

Inconel 718通常用于低溫儲罐，井底軸桿和井口部件。

因科鎳合金很難進(jìn)行機(jī)械加工因為其“快速的加工硬化特性”

由于因科鎳合金具有快速加工硬化的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的技術(shù)首道次機(jī)加工后，加工硬化常常會使工件或第二道次加工工具發(fā)生塑性變形。

我們常說的因科鎳合金難切削，就是因為這個原因。

但這并不是不能優(yōu)化規(guī)避的使用先進(jìn)的刀具或其他加工工藝：

1、新型的晶須增強(qiáng)陶瓷刀具可用于加工鎳合金，其切割速率是常規(guī)硬質(zhì)合金刀具的8倍。

2、Inconel板材通常采用水切割方法來完成。

3、Inconel制作的零件也可采用選擇性激光融化的方法來實(shí)現(xiàn)。

合理安排工藝流程：

1、可將大部分機(jī)加工工作在工件固溶處理后完成，僅將最后加工道次放在時效硬化后進(jìn)行。

2、對于時效硬化的Inconel，例如對于718合金，機(jī)加工時使用硬質(zhì)合金刀具，應(yīng)采用重進(jìn)刀，低切削速度，盡可能減少加工道次。

3、在固溶處理狀態(tài)下（對時效硬化合金），如外螺紋的加工可采用車削螺紋或輥壓螺紋的方式。

4、因科鎳718合金通過采用感應(yīng)加熱到1300℉（704℃），晶粒尺寸不長大并完全時效后，也可采用輥壓螺紋。

帶內(nèi)螺紋的孔可采用銑削螺紋，內(nèi)螺紋也可采用電火花加工來實(shí)現(xiàn)。

PS：與機(jī)加工方法相比，鎳合金零部件成形和表面處理的方法更多選擇水射流，激光和研磨，因為這些方法更經(jīng)濟(jì)。通過選擇合適的磨料硬度，磨削輪通常不受材料加工硬化的影響，并保持銳利和持久度。

因科鎳合金如何連接

 

部分Inconel的焊接會很困難（特別是γ’相析出硬化類合金，包括X-750和我們稍后會介紹的Waspalloy）。

這是由于焊縫熱影響區(qū)的開裂和合金元素顯微偏析造成的，當(dāng)然，如625和718等合金，在設(shè)計時就已經(jīng)考慮了這些并解決了焊接問題。

最常用的焊接方法是氣體保護(hù)鎢極氬弧焊和電子束焊接。近幾年來，脈沖微功率激光焊越來越多地被用于某些特定用途。

因科鎳合金的典型牌號

 

Inconel 600: 固溶強(qiáng)化型。

Inconel 625: 耐酸，焊接性能良好。低周期疲勞型625常用于波紋管。

Inconel 690: 鈷含量較低，適于核能相關(guān)應(yīng)用，電阻率較低Inconel 713C: 析出硬化型鎳鉻基鑄造合金Inconel 718: 帶有γ“相強(qiáng)化，焊接性能好。

Inconel 751: 添加較多鋁，使其在870℃附近的高溫范圍有較好的抗破斷強(qiáng)度。

Inconel 792: 添加較多鋁，使其在高溫下有更加耐蝕，特別適于制造燃?xì)鉁u輪機(jī)。

Inconel 939: 以γ‘相強(qiáng)化增加可焊性。

PS：以析出強(qiáng)化或時效強(qiáng)化為設(shè)計概念的Inconel，加鋁和鈦的目的，通常是為了形成金屬間化合物Ni3（Ti,Al）或γ’相；γ‘相為細(xì)小立方晶胞，在高溫下可有效抑制滑移與蠕變。

 

3） 沃斯帕洛伊合金（Waspaloy）

 

Waspaloy是美國聯(lián)合技術(shù)公司（United Technologies Corp）的注冊商標(biāo)，它是一種時效硬化奧氏體（面心立方晶胞face-centred cubic）鎳基超級合金。Waspaloy合金的典型應(yīng)用場是高溫用途，特別是應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)上。

典型化學(xué)成分

 

Ni：58%，Cr：19%，Co：13%，Mo：4%，Ti：3%；Al：1.4%

 

化學(xué)成分表

 

性能

 

Waspaloy是一種時效硬化鎳基超級合金，在980℃（1800℉）以下具有出色的力學(xué)性能。Waspaloy的其他特征包括優(yōu)良的耐腐蝕性能，耐氧化性能，適宜于在極端環(huán)境中服役。

Waspaloy合金在760-870℃ （1400-1600℉）溫度區(qū)間內(nèi)仍具有相當(dāng)好的強(qiáng)度值，以及優(yōu)良的抗氧化性，可服役于溫度高達(dá)870℃（1600℉）燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)工作環(huán)境。在620-650℃（1150-1200℉）溫度范圍內(nèi)，Waspaloy合金的蠕變斷裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于718合金。其730°C （1350°F）以下的短時熱抗拉強(qiáng)度劣于RA718。

物理性能

 

密度：0.296 lb/in3

 

熔化溫度：2425 - 2475℉

 

 

力學(xué)性能

 

典型拉伸性能，熱處理，板根據(jù)相關(guān)資料，Q345B牌號在700℃時屈服強(qiáng)度約為90-100MPa，而21℃時屈服強(qiáng)度為345-390MPa。在700℃高溫下，Q345B力學(xué)性能下降60%以上，但沃斯帕洛伊合金僅下降不到13%，可見其良好的耐高溫性能。

 

典型蠕變斷裂強(qiáng)度，熱處理，板- 在所列時間的斷裂應(yīng)力值。

 

 

相應(yīng)材料技術(shù)規(guī)范

 

AMS 5544, AMS 5708, AMS 5828

EN 2.4654

UNS N07001

Werkstoff 2.4654

 

用途

 

Waspaloy通常使用在極端環(huán)境中。常見應(yīng)用包括：燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片，密封，環(huán)，軸和渦輪盤。由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)1243，作為X射線熒光光譜儀（XRF：X-ray fluorescence spectroscopy）的一種標(biāo)樣，就是用Waspaloy合金制作的。

英國飛機(jī)公司（British Aircraft Corporation，BAC）的TSR-2，一種1950年代后期開始研制的超音速攻擊機(jī)，其機(jī)身后部排氣噴嘴四周有一個整流罩，由于這個區(qū)域的高溫特點(diǎn)，該整流罩是用 Waspaloy制作成形的，并且不進(jìn)行噴涂。這種合金的加工制作被描述為”非常棘手“，它是由布里斯托爾（Bristol）的發(fā)動機(jī)專家團(tuán)隊負(fù)責(zé)實(shí)施的，而非由的飛機(jī)機(jī)身制造商BAC來完成。

 

TSR-2尾部，顯示了未涂裝的Waspaloy金整流罩（Tail of TSR-2, showing the unpainted Waspaloy fairing）

 

4） 海恩斯合金（Haynes alloy）

 

我們常說的哈氏合金，其實(shí)分為兩類產(chǎn)品，分別是耐高溫的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蝕的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）。

耐高溫海恩斯合金（Haynes alloy）

 

海恩斯合金的特點(diǎn)是耐高溫，非常耐高溫，以海恩斯合金中的牌號HAYNES? 214? 為例，具有高達(dá)2200°F （1204°C）的超級抗氧化性能。

1204℃是個什么概念呢？大家知道，鋼的熔點(diǎn)大約在1500℃左右，而我們常說的熱軋工藝是把鋼坯加熱到大約1200~1300℃左右，然后把鋼坯像面團(tuán)一樣搟薄。

也就是說海恩斯合金的工作極限溫度非常高，這個溫度下普通的低碳鋼已經(jīng)像面條一樣柔軟，不具備基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

鑒于這一超級抗氧化性能，海恩斯合金不單被應(yīng)用在航天港空工業(yè)中，在陶瓷，金屬加工，汽車和電子行業(yè)，甚至鋼廠的設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用。

 

5） 因科洛伊合金（Incoloy）

 

上面我們介紹了因科鎳合金，同樣也是屬于美國的特殊金屬集團(tuán)商標(biāo)的，還有一個低成本的超級合金犀利——因科洛伊合金Incoloy? 。

什么是因科洛伊合金

 

Incoloy合金是特殊金屬公司集團(tuán)（Special Metals Corporation group of companies）生產(chǎn)并商標(biāo)注冊的一系列超級合金產(chǎn)品。

Incoloy因科洛伊合金大部分可歸類為鎳基系合金，具有超常的耐蝕性和高溫強(qiáng)度，對于某種特定的化學(xué)物質(zhì)的侵蝕可選用特定的Incoloy。

例如：

020 合金適用于耐硫酸腐蝕的場合，而DS合金適用于爐內(nèi)為反應(yīng)性氣氛，且熱循環(huán)次數(shù)較多的熱處理爐部件。

因科洛伊合金的特點(diǎn)

 

由于Incoloy合金的Fe含量較高，成本相對較低，使它成為非臨界高溫應(yīng)用場景下的理想材料。它的另外一個特點(diǎn)是相對較好可加工性。用戶可直接使用原用于加工不銹鋼材料的機(jī)器和加工工藝對其進(jìn)行加工處理。

Incoloy合金對海水、鹵水、酸氣和高氯離子環(huán)境的高耐受性，使其成為石油天然氣工業(yè)最受歡迎的一種材料。Incoloy?合金是目前最嚴(yán)苛化學(xué)環(huán)境中使用得最多的材料，它的應(yīng)用場景包含但不限于：各類酸的處理，濕法洗滌，核燃料和反應(yīng)性氣氛的工業(yè)爐。

因克洛伊合金在我們鋼鐵行業(yè)中也有大量應(yīng)用如爐輥、輻射管、燒嘴等等由于Incoloy合金類型較多，此處挑選了幾個比較典型的Incoloy合金做一簡單介紹。詳見下圖

 

 

6） 雷內(nèi)鎳基高溫耐蝕合金（Rene alloys）

 

鎳基高溫合金指的是以鎳為基體（含量一般大于50%） 在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金。

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)在Ni基高溫合金的工藝控制中扮演了重要角色，如Rene第3代合金在研制過程中就采用計算機(jī)進(jìn)行成分演算、統(tǒng)計篩分、成分優(yōu)化等工序。近年來，除了合金耐高溫、耐腐蝕、耐氧化、抗蠕變、機(jī)械強(qiáng)度等綜合性能外，相關(guān)核心技術(shù)也重視合金與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、減少維護(hù)、擴(kuò)展材料的使用壽命、以及減小合金的制備成本等方面。

7） MP98T（由美國SPS技術(shù)公司開發(fā)，可以承受高壓氫環(huán)境，如使用氫作為燃料的火箭發(fā)動機(jī)，防止變脆）

 

美國SPS技術(shù)公司成立于1903年，是一家技術(shù)領(lǐng)先的高強(qiáng)度緊固件與精密零部件制造廠商。最近，SPS公司新推出了一種由超合金制成的緊固件，并命名為SPSMP98T^TM，這種新材料集高強(qiáng)度、高韌度與防腐蝕特點(diǎn)于一體，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的緊固件材料。SPSMP98T材料的最小抗拉強(qiáng)度為1241MPa，經(jīng)ASTME1820樣品測試，MP98T材料的普通斷裂韌度值超過1379MPa。MP98T中的合金可以承受高壓氫環(huán)境（例如使用氫作為燃料的火箭發(fā)動機(jī)等），防止變脆。MP98T緊固件強(qiáng)度高，斷裂韌度前所未有，因此，是飛機(jī)發(fā)動機(jī)及機(jī)身的理想零部件。

 

8） TMS合金（TMS alloy，日本國家金屬材料研究所開發(fā)的單晶高溫合金）

 

TMS（Tokoyo Meguro Single）合金，日本國立材料研究所（NIMS）在此項技術(shù)中是非常著名的，雖然小編也是抗日份子，但這方面不得不說他領(lǐng)先。

關(guān)于NIMS

 

日本國立材料研究所（National Institute for Material Science：NIMS）是日本最大的研究所之一，它由國立金屬材料技術(shù)研究所（NRIM）和國立無機(jī)材料研究所（NIRIM）合并而來。NIMS主要進(jìn)行材料的合成，表征和應(yīng)用的研究，包括金屬，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體，陶瓷，有機(jī)材料，和納米材料等等。涵蓋了電子，光學(xué)，涂料，燃料電池，催化劑，生物技術(shù)等范圍的應(yīng)用。同時發(fā)展了電子顯微鏡，高能離子束，強(qiáng)磁場等技術(shù)。大多數(shù)研究是實(shí)驗性研究，但至少有一個研究中心，致力于理論研究。

TMS系列單晶

 

TMS（Tokoyo Meguro Single）是NIMS開發(fā)的鎳基單晶高溫合金系列。近年來，NIMS相繼成功研制第四、第五、第六代單晶合金TMS-138，TMS-162，TMS196，TMS-238等，在鎳基單晶高溫合金的研發(fā)領(lǐng)域，走在了世界的前列。

表1 TMS物理、力學(xué)性能和工藝特點(diǎn)

 

日本NIMS開發(fā)的TMS系列單晶成功進(jìn)行了系列化的發(fā)展，TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196，TMS-238。

TMS-82+是NIMS和東芝公司合作開發(fā)的單晶，相比同代的CMSX-4單晶，在蠕變應(yīng)力近137.3MPa下承溫能力提高30℃，熱處理窗口寬有利于進(jìn)行熱處理，同時具有良好的高溫抗腐蝕能力和相穩(wěn)定性，相比第三代單晶TMS-75具有更多連續(xù)的γ′竹筏結(jié)構(gòu)和更細(xì)小的位錯網(wǎng)絡(luò)，有效降低蠕變應(yīng)變率。此外，TMS-82+具有良好的低周疲勞強(qiáng)度，具有與CMSX-4相當(dāng)?shù)目寡趸阅?。通過1年15MW 發(fā)動機(jī)試車考核，該單晶葉片表面無損傷，保持良好的相穩(wěn)定性，無竹筏結(jié)構(gòu)。

TMS-75是NIMS和KHI（川崎重工）合作開發(fā)的單晶，中溫到高溫段具有優(yōu)良的蠕變強(qiáng)度，并且具有良好的抗熱腐蝕能力。

TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI（石川島播磨重工）合作開發(fā)的單晶，兩者都具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、微觀組織穩(wěn)定性和抗熱腐蝕能力。

TMS-196是NIMS獨(dú)立開發(fā)的單晶，該合金不僅具有良好的微觀組織穩(wěn)定性，同時具有良好的綜合性能，包括蠕變性能、熱機(jī)械疲勞和抗氧化能力。相比第二、三代單晶，第四、五代單晶提高了高熔點(diǎn)元素含量，如Mo、Re和Ru，雖然極大提升了蠕變性能，但是降低了抗氧化性能。第六代單晶TMS-238在第五代單晶TMS-196基礎(chǔ)上優(yōu)化了成分，呈現(xiàn)出良好的高溫蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能。

 

TMS系列單晶的特點(diǎn)在于熱處理窗口非常寬，有助于大尺寸零件的熱處理。另一個特點(diǎn)在于Mo含量高，形成γ／γ′界面上細(xì)小的位錯網(wǎng)絡(luò)，有效提高了蠕變性能。

9） CMSX單晶合金（美國Cannon-Muskegon公司開發(fā)的單晶高溫合金）

 

葉片是飛機(jī)發(fā)動機(jī)的重要零部件，不管是星條旗，還是伏特加，都在葉片制造等技術(shù)上一直封鎖我國。很多網(wǎng)友抱怨，我國是世界第一的產(chǎn)鋼大國，為何卻不能造出好的葉片用鋼，其實(shí)那不是鋼，而是單晶合金。

眾所周知，增強(qiáng)渦輪葉片的承溫能力可直接提高渦輪進(jìn)口溫度，而提高渦輪進(jìn)口溫度是提高航空發(fā)動機(jī)效率的有效方法。20世紀(jì)70年代后期，單晶高溫合金由于其優(yōu)良的熱阻特性，被引入到商業(yè)航空燃?xì)鈬姎獍l(fā)動機(jī)渦輪葉片中。采用單晶合金發(fā)動機(jī)的燃油效率比采用定向合金提高30％以上，壽命大大延長。最新航空發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)1777℃，見表2。

表2 國外航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程

 

例如，采用第三代單晶合金作為葉片材料的推重比為10的F119發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度為1677℃，比采用定向合金的推重比為8的F100發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度（1370℃）提高了307℃。

 

F-119-PW-100

 

美歐等國的單晶高溫合金應(yīng)用研究已比較成熟，并在民用航空發(fā)動機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，單晶合金應(yīng)用的相關(guān)發(fā)動機(jī)型號與機(jī)型如表2所示，尤其是第二代單晶葉片的工程化應(yīng)用技術(shù)，目前正在服役的單晶葉片零件估計超過百萬件。

由表3中單晶合金的應(yīng)用情況總結(jié)得出，Pratt & Whitney（P&W公司）與IAE（P&W,RR,JACE,MTU合資公司）系列發(fā)動機(jī)主要采用PWA系列單晶合金，GE和CFM（GE，SNECM合資公司）系列發(fā)動機(jī)主要采用René系列單晶合金，Rolls-Royce（RR公司）Trent系列發(fā)動機(jī)主要采用CMSX系列單晶合金。

表3單晶高溫合金葉片在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

 

René系列單晶的專利權(quán)人是GE公司，由第一代單晶RenéN4發(fā)展到第二代單晶RenéN5和第三代單晶RenéN6。

CMSX系列單晶的專利權(quán)人是Cannon-Muskegon公司，由第一代單晶CMSX-3發(fā)展到第二代單晶CMSX-4和第三代單晶CMSX-10。

RR公司開發(fā)的單晶RR3000和RR3010在美國的Cannon-Muskegon公司生產(chǎn)，按美國慣例需冠上該生產(chǎn)單位的品牌名，命名為CMSX-10K和CMSX-10N，產(chǎn)品驗收采用RR公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

PWA系列單晶的專利權(quán)人是美國聯(lián)合技術(shù)公司，被P&W公司收購，由第一代PWA1480發(fā)展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。

 

PW4000發(fā)動機(jī)

 

第四代、第五代單晶的發(fā)展以TMS系列單晶為代表。TMS系列單晶是由NIMS研究所研制的。2006年，RR公司在日本NIMS建立航空先進(jìn)材料研究室，與NIMS聯(lián)合開發(fā)單晶材料。

單晶的承溫能力一般以137MPa/1000h蠕變斷裂為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，第二代單晶承溫能力大致為1040℃，相應(yīng)的每代單晶高溫合金使用溫度都被提高了25～30 ℃，每提高25～30℃相當(dāng)于延長葉片壽命3倍。

 

 

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