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英科耐爾高溫合金 您了解多少?

發(fā)布時間: 2022-05-23  點(diǎn)擊次數(shù): 854次

高溫合金或高性能合金是有色合金,在高溫下表現(xiàn)出出色的強(qiáng)度和表面穩(wěn)定性。它們能夠在較高的熔點(diǎn)(高達(dá) 85% 的熔點(diǎn) (T m ) 以開爾文度數(shù)表示,0.85)下安全運(yùn)行是它們的關(guān)鍵特性。高溫合金通常在高于 540 °C (1000 °F) 的溫度下使用,因?yàn)樵谶@些溫度下普通鋼和鈦合金會失去其強(qiáng)度,而且在該溫度下鋼會發(fā)生腐蝕。在高溫下,高溫合金保持機(jī)械強(qiáng)度,抗熱蠕變變形、表面穩(wěn)定性和抗腐蝕或抗氧化性。一些鎳基超級合金可以承受超過 1200°C 的溫度,具體取決于合金的成分。超級合金通常以單晶形式鑄造,雖然晶界可以提供強(qiáng)度,但會降低抗蠕變性。

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概括

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它們最初被開發(fā)用于飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)渦輪增壓器。今天,常見的應(yīng)用是飛機(jī)渦輪部件,它必須在合理的時間段內(nèi)承受嚴(yán)重氧化環(huán)境和高溫的暴露。目前的應(yīng)用包括:

 

     

     飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)

      汽輪機(jī)發(fā)電廠

       醫(yī)療應(yīng)用

       航天器和火箭發(fā)動機(jī)

       熱處理設(shè)備

       核電廠

鎳是高溫合金的基本元素,高溫合金是一組用于噴氣發(fā)動機(jī)的鎳、鐵鎳和鈷合金。這些金屬具有出色的抗熱蠕變變形能力,并在遠(yuǎn)高于其他航空航天結(jié)構(gòu)材料的溫度下保持其剛度、強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性。

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鎳基高溫合金

鎳基高溫合金目前占先進(jìn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)重量的 50% 以上。鎳基高溫合金包括固溶強(qiáng)化合金和時效硬化合金。時效硬化合金由分散有 Ni 3相干沉淀的奧氏體 (fcc) 基體組成(Al,Ti) 具有 fcc 結(jié)構(gòu)的金屬間化合物。鎳基高溫合金是以鎳為主要合金元素的合金,在前面討論的應(yīng)用中優(yōu)選作為葉片材料,而不是鈷基或鐵基高溫合金。鎳基高溫合金的重要意義在于它們在高溫下的高強(qiáng)度、高蠕變和耐腐蝕性。通常以定向凝固形式或單晶形式鑄造渦輪葉片。單晶葉片主要用于渦輪級的第一排。

鉻鎳鐵合金 718

 

一般來說,Inconel是 Special Metals 的一個奧氏體鎳鉻基高溫合金系列的注冊商標(biāo)。Inconel 718是一種鎳基高溫合金,具有高強(qiáng)度特性和耐高溫性。它還表現(xiàn)出的防腐蝕和抗氧化保護(hù)。Inconel 的高溫強(qiáng)度是通過固溶強(qiáng)化或沉淀硬化產(chǎn)生的,具體取決于合金。Inconel 718 由 55% 的鎳、21% 的鉻、6% 的鐵和少量的錳、碳和銅組成。

高溫合金的常見用途是航空航天和其他一些高科技行業(yè)。這種高溫合金在高溫下兼具耐腐蝕性和材料強(qiáng)度,在核工業(yè)中表現(xiàn)良好。一些核電站將鎳基高溫合金用于反應(yīng)堆堆芯、控制棒和類似部件。在核工業(yè)中,尤其使用低鈷高溫合金(由于可能會激活鈷 59)。核燃料組件的一些結(jié)構(gòu)部件,如頂部和底部噴嘴,可能由高溫合金如 Inconel 制成。間隔柵通常由具有低熱中子吸收截面的耐腐蝕材料制成,通常是鋯合金(~ 0.18 × 10 –24厘米2)。第一個和最后一個間隔網(wǎng)格也可以由低鈷鉻鎳鐵合金制成,這是一種非常適合在承受壓力和熱量的環(huán)境中使用的高溫合金。

熱蠕變

蠕變,也稱為冷流,是在恒定載荷或應(yīng)力下隨時間增加的變形。它是由于長時間暴露于較大的外部機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致屈服極限,并且在長時間受熱的材料中更為嚴(yán)重。變形率是材料特性、暴露時間、暴露溫度和施加的結(jié)構(gòu)載荷的函數(shù)。如果我們在高溫下使用材料,蠕變是一個非常重要的現(xiàn)象。蠕變在電力工業(yè)中非常重要,在噴氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)中是最重要的。對于許多壽命相對較短的蠕變情況(例如渦輪葉片在飛機(jī)中),破裂時間是主要的設(shè)計(jì)考慮因素。當(dāng)然,對于它的確定,必須進(jìn)行蠕變試驗(yàn)直至失效點(diǎn);這些被稱為蠕變斷裂試驗(yàn)。

材料的抗蠕變性受許多因素的影響,例如擴(kuò)散率、沉淀物和晶粒尺寸。一般來說,有三種一般方法可以防止金屬蠕變。一種方法是使用更高熔點(diǎn)的金屬,第二種方法是使用更大晶粒尺寸的材料,第三種方法是使用合金化。體心立方 (BCC) 金屬在高溫下的抗蠕變性較差。因此,基于 Co、Ni 和 Fe 的高溫合金(通常是面心立方奧氏體合金)能夠被設(shè)計(jì)為具有高抗蠕變性,因此已成為高溫環(huán)境中的理想材料。

應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)是最嚴(yán)重的冶金問題之一,也是核工業(yè)主要關(guān)注的問題之一。應(yīng)力腐蝕開裂是外加拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用的結(jié)果,這兩種影響都是必要的。SCC 是一種在拉應(yīng)力作用下發(fā)生在晶界的晶間侵蝕腐蝕。低合金鋼不如高合金鋼敏感,但它們在含有氯離子的水中容易發(fā)生 SCC。然而,鎳基合金不受氯離子或氫氧根離子的影響。耐應(yīng)力腐蝕開裂的鎳基合金的一個例子是 Inconel。

高溫合金的特性 – Inconel 718

材料屬性是密集屬性,這意味著它們與質(zhì)量無關(guān),并且可能隨時隨系統(tǒng)內(nèi)的不同位置而變化。材料科學(xué)的基礎(chǔ)包括研究材料的結(jié)構(gòu),并將它們與它們的特性(機(jī)械、電氣等)聯(lián)系起來。一旦材料科學(xué)家了解了這種結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性,他們就可以繼續(xù)研究材料在給定應(yīng)用中的相對性能。材料結(jié)構(gòu)及其特性的主要決定因素是其組成化學(xué)元素以及將其加工成最終形式的方式。

高溫合金的機(jī)械性能 – Inconel 718

材料經(jīng)常被選擇用于各種應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兙哂欣硐氲臋C(jī)械特性組合。對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用,材料特性至關(guān)重要,工程師必須將它們考慮在內(nèi)。

高溫合金的強(qiáng)度 – Inconel 718

在材料力學(xué)中,材料的強(qiáng)度是指其在不發(fā)生故障或塑性變形的情況下承受外加載荷的能力。材料的強(qiáng)度基本上考慮了施加到材料上的外部載荷與由此產(chǎn)生的變形或材料尺寸變化之間的關(guān)系。材料的強(qiáng)度是它在不發(fā)生故障或塑性變形的情況下承受這種施加的載荷的能力。

極限抗拉強(qiáng)度

高溫合金——Inconel 718 的極限抗拉強(qiáng)度取決于熱處理工藝,但約為 1200 MPa。

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的極限拉伸強(qiáng)度是工程上的最大應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這對應(yīng)于最大應(yīng)力可以通過張力結(jié)構(gòu)來維持。極限抗拉強(qiáng)度通常簡稱為“抗拉強(qiáng)度”,甚至簡稱為“極限”。如果施加并保持這種應(yīng)力,就會導(dǎo)致斷裂。通常,該值明顯高于屈服應(yīng)力(比某些類型的金屬高出 50% 到 60%)。當(dāng)延展性材料達(dá)到其極限強(qiáng)度時,它會在橫截面積局部減小的情況下發(fā)生頸縮。應(yīng)力-應(yīng)變曲線不包含高于極限強(qiáng)度的應(yīng)力。盡管變形可以繼續(xù)增加,但在達(dá)到極限強(qiáng)度后應(yīng)力通常會降低。它是一種密集型財(cái)產(chǎn);因此其值不取決于試樣的尺寸。但是,它取決于其他因素,例如樣品的制備、測試環(huán)境和材料的溫度。極限抗拉強(qiáng)度從鋁的 50 MPa 到超高強(qiáng)度鋼的 3000 MPa 不等。

屈服強(qiáng)度

高溫合金——Inconel 718 的屈服強(qiáng)度取決于熱處理工藝,但約為 1030 MPa。

所述屈服點(diǎn)是在點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,其指示的彈性行為的限制和開始塑性行為。屈服強(qiáng)度或屈服應(yīng)力是定義為材料開始塑性變形時的應(yīng)力的材料特性,而屈服點(diǎn)是非線性(彈性 + 塑性)變形開始的點(diǎn)。在屈服點(diǎn)之前,材料將發(fā)生彈性變形,并在施加的應(yīng)力消除后恢復(fù)其原始形狀。一旦超過屈服點(diǎn),部分變形將是性的且不可逆的。一些鋼和其他材料表現(xiàn)出一種稱為屈服點(diǎn)現(xiàn)象的行為。屈服強(qiáng)度從低強(qiáng)度鋁的 35 MPa 到高強(qiáng)度鋼的 1400 MPa 以上不等。

楊氏彈性模量

 

高溫合金的楊氏彈性模量 – Inconel 718 為 200 GPa。

的楊氏彈性模量是用于在單軸變形的線性彈性體制的拉伸和壓縮應(yīng)力的彈性模量,通常是由拉伸試驗(yàn)評估。在達(dá)到極限應(yīng)力的情況下,物體將能夠在移除負(fù)載時恢復(fù)其尺寸。施加的應(yīng)力導(dǎo)致晶體中的原子從它們的平衡位置移動。所有原子的位移量相同,但仍保持其相對幾何形狀。當(dāng)應(yīng)力消除后,所有原子都回到原來的位置,不會發(fā)生變形。根據(jù)虎克定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比(在彈性區(qū)),斜率就是楊氏模量. 楊氏模量等于縱向應(yīng)力除以應(yīng)變。

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在材料科學(xué)中,硬度是承受表面壓痕(局部塑性變形)和劃傷的能力。硬度可能是最不明確的材料屬性,因?yàn)樗赡鼙硎究箘潅?、抗磨損、抗壓痕甚至抗成型或局部塑性變形。從工程的角度來看,硬度很重要,因?yàn)閷δΣ聊p或蒸汽、油和水侵蝕的耐磨性通常隨著硬度的增加而增加。

布氏硬度試驗(yàn)是壓痕硬度試驗(yàn)的一種,專為硬度試驗(yàn)而開發(fā)。在布氏試驗(yàn)中,硬質(zhì)球形壓頭在特定載荷下被壓入待測金屬表面。典型測試使用 10 毫米(0.39 英寸)直徑的 硬化鋼球作為壓頭,力為 3,000 kgf(29.42 kN;6,614 lbf)。負(fù)載在的時間(10 到 30 秒)內(nèi)保持恒定。對于較軟的材料,使用較小的力;對于較硬的材料,用碳化鎢球代替鋼球。

該測試提供了量化材料硬度的數(shù)值結(jié)果,該硬度由布氏硬度數(shù)- HB 表示。布氏硬度數(shù)由的測試標(biāo)準(zhǔn)(ASTM E10-14[2] 和 ISO 6506–1:2005)為 HBW(H 來自硬度,B 來自布氏硬度,W 來自壓頭材料鎢(鎢)碳化物)。在以前的標(biāo)準(zhǔn)中,HB 或 HBS 用于指代用鋼壓頭進(jìn)行的測量。

的布氏硬度數(shù)(HB)是負(fù)載由壓痕的表面面積除以。印模的直徑是用帶有疊加刻度的顯微鏡測量的。布氏硬度數(shù)由下式計(jì)算:

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有多種常用的測試方法(例如 Brinell、Knoop、Vickers和Rockwell)。有可用的表格將來自不同測試方法的硬度數(shù)字相關(guān)聯(lián),其中相關(guān)性適用。在所有尺度中,高硬度值代表硬質(zhì)金屬。

 

 

高溫合金的熱性能 – Inconel 718

 

 

材料的熱性能是指材料對其 溫度變化和熱量應(yīng)用的反應(yīng)。當(dāng)固體以熱的形式吸收能量時,它的溫度會升高并且尺寸會增加。但是不同的材料對加熱的反應(yīng)不同。

 

熱容量、熱膨脹和熱導(dǎo)率是固體實(shí)際應(yīng)用中通常至關(guān)重要的特性。

 

高溫合金的熔點(diǎn) – Inconel 718

 

高溫合金 - Inconel 718 鋼的熔點(diǎn)約為 1400°C。

 

一般情況下, 熔化 是一個 相變 的物質(zhì)從固體到液體相。 物質(zhì)的 熔點(diǎn)是發(fā)生這種相變時的溫度。的 熔點(diǎn) 也限定一種狀況,其中在平衡的固體和液體可以存在。

 

高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù) – Inconel 718

 

高溫合金 - Inconel 718 的熱導(dǎo)率為 6.5 W/(mK)。

 

固體材料的傳熱特性通過稱為熱導(dǎo)率k(或 λ)的屬性來衡量 ,單位為 W/mK。它是物質(zhì)通過傳導(dǎo)傳遞熱量的能力的量度 。請注意, 傅立葉定律 適用于所有物質(zhì),無論其狀態(tài)如何(固體、液體或氣體),因此,它也適用于液體和氣體。

 

大多數(shù)液體和固體的 熱導(dǎo)率隨溫度而變化。對于蒸汽,它還取決于壓力。一般來說:

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大多數(shù)材料非常接近均質(zhì),因此我們通??梢詫懗?k = k (T)。類似的定義與 y 和 z 方向的熱導(dǎo)率 (ky, kz) 相關(guān),但對于各向同性材料,熱導(dǎo)率與傳遞方向無關(guān),kx = ky = kz = k。

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