是什么让"镍基合金"无惧"高温"？

2016-02-29 11:44:34 作者：本网整理来源：

高温合金的开发与研究是飞行器、探测器飞向宇宙、航空航天工业走向成功的关键。高温合金是指能够在 600℃温度以上条件下可以正常工作，并可以承受加大应力，有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金。高温合金主要应用在航空航天发动机中，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。主要包括铁基系列高温合金，钴基系列高温合金以及镍基系列高温合金，其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能，是作为航空发动机的首选材料，几乎超过40% 的高温合金均为镍基高温合金。

镍基高温合金叶片

一枝独秀--镍基单晶高温合金

镍基高温合金

镍基高温合金主要成分为 Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素，基体为镍元素，含量在 60% 以上，主要工作温度段在 950℃ -1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。

60 年代初期，最早的 80Ni-20Cr镍基高温合金叶片在工作中有断裂情况发生，研究发现，合金中境界出杂质较多，原子扩散速率较快，晶界成为在镍基高温合金服役中易发生裂纹的关键困扰因素。

20 世纪80 年代，凝固技术制备的镍基单晶高温合金开始登上历史舞台，引领镍基单晶高温合金不断发展，合金的成分有了很大的变化。到今天为止镍基单晶高温合金已经发展到第 5 代。

迎刃而上，无惧高温

镍基高温合金

经过数代科学工作者的悉心研究，镍基合金在成分设计的推动和发展下走向高温。

（1）C、B、Hf 等元素的添加。

由于，在单晶镍基合金中添加极少量的C、B、Hf 等元素，有助于强化晶界，在一定程度上提高合金的性能；

（2）难溶元素（Mo、W、Re、Ru）成分的不断增加。

W、Mo、Re 都对镍基单晶高温合金的高温性能有较强的增益作用，但这些元素也会促进 TCP 相的形成，所以如何在增加难溶元素含量的前提下，抑制 TCP 相的生成是当代镍基单晶高温合金设计的一个课题。

到第 5 代镍基单晶高温合金，难溶元素的含量达到了 26.2%。Re 元素从第一代的零添加到第 5 代添加了 6%，虽然Re 元素比较昂贵，但对合金高温性能有较强的提高作用。Mo、W 的含量基本没有变化 ,起到固溶强化的作用。神奇的Ru尽管是难溶元素，但不会促进 TCP 相的生成，反而促进合金成分的均匀化，抑制 TCP 相的生成。展现理想功效的稀土Ru元素将是当代镍基单晶高温合金发展的趋势。

（3）Cr 元素含量降低。

Cr 元素是抗腐蚀元素，研究表明当 Cr 含量在 5% 以下时合金的抗腐蚀及抗氧化性能急速下降，这是因为Cr元素会促进TCP 相的生成。接着人们发现通过添加Re、Ta 元素可以抑制Cr元素的扩散速度，提高组织稳定性，从而提高镍基合金抗腐蚀性能及抗氧化性能。

镍基高温合金的发展趋势

（1）更高的高温性能。

航空航天用的高温材料需要更高的承温能力，更高的蠕变性能；

（2）更好的抗腐蚀性能、抗氧化性能。

在合金设计中尽量少添加 Cr 元素，通过添加难溶元素来提高合金的抗腐蚀性能及抗氧化性能，或者进行表面防护涂层；

（3）发展低密度的镍基高温合金。

重量的增加会增大叶片在转动过程中产生的离心力，增加叶片的负载，从而降低叶片使用寿命，所以发展低密度的镍基高温合金是很有必要的；

（4）发展低成本的镍基高温合金。

随着镍基高温合金的不断发展，Re 元素的含量越来越大，而 Re 元素在地球上含量较少，价格较昂贵，如何通过 Ru 元素的添加来提高镍基单晶高温合金的性能从而减少甚至不添加 Re 元素已降低镍基单晶高温合金的成本是未来的发展趋势之一。

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