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过渡金属元素铪在高温合金中大显神通 高温合金:少了它还真不行

发布日期:2021-12-17 01:45

本文摘要:铪(Hf)是一种带光泽的银灰色的过渡金属,具有良好的抗腐蚀性能,不易受一般酸碱水溶液的侵蚀;高温下,铪也可以与氧、氮等气体直接化合,形成氧化物和氮化物。在硝酸、盐酸中耐蚀性能良好,是良好的高温金属耐蚀质料。铪在高温、高压水和蒸汽中的耐蚀性也优于其他金属。 高温合金涡轮盘铪于20世纪70年月末才开始应用于高温合金,主要是为了改善γ相的巨细和漫衍,改变高温合金中碳化物的组成和形态,从而提高合金的性能。

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铪(Hf)是一种带光泽的银灰色的过渡金属,具有良好的抗腐蚀性能,不易受一般酸碱水溶液的侵蚀;高温下,铪也可以与氧、氮等气体直接化合,形成氧化物和氮化物。在硝酸、盐酸中耐蚀性能良好,是良好的高温金属耐蚀质料。铪在高温、高压水和蒸汽中的耐蚀性也优于其他金属。

高温合金涡轮盘铪于20世纪70年月末才开始应用于高温合金,主要是为了改善γ'相的巨细和漫衍,改变高温合金中碳化物的组成和形态,从而提高合金的性能。例如,美国的MERL76合金是在INl00合金身分的基础上加以调整,添加了少量的Hf,改善了合金的原始颗粒界限(PPB),提高了合金塑性,进一步强化了合金。本文主要归纳先容了Hf在几类高温合金中的作用及应用。

1.Hf在铸造及变形高温合金中的作用由于粉末高温合金是在铸造和变形高温合金的基础上,接纳粉末冶金工艺,改善合金显微组织,提高合金性能而研制的。因此,简要相识Hf在铸造和变形高温合金中的作用,有助于研究Hf在粉末冶金高温合金中的作用和应用。(1)Hf在铸造高温合金中的作用广泛应用的铸造高温合金,普遍存在760℃四周低塑性、低强度问题,经常导致在蠕变Ⅱ阶段末期合金部件突然破坏。

在铸造高温合金中加入适量的Hf,可以提高合金的强度和塑性。铸造高温合金综合性能的改善与Hf在合金凝固历程中的作用存在着密切的联系。良好的流动性、趋肤效应以及枝晶间保持的连通状态,都是加Hf合金具有优良可铸性的原因。

这会相应地改善铸造高温合金的力学性能,但最主要的原因是Hf降低了熔体的凝固温度,此外,凝固熔体中Hf的浓度很高,会与偏析在熔池中的S充实化合,使之形成比硫化镍熔点更高的(Hf,Ti)2SC相,抵消了S的有害作用,净化了晶界,增强了枝晶间的联合强度,也会相应提高合金的力学性能。高温合金叶片对加Hf的定向凝固铸造高温合金Mar-M200的许多研究讲明,加Hf能大为改善合金的力学和工艺性能,使之既有优异的中、中高温纵向和横向性能,又有良好的可铸性,特别是是抗热裂倾向性。Hf还可以提高合金的使用温度、效率和高温蠕变强度。

因此,加Hf可以改善铸造高温合金的高温力学性能和铸造性能,是铸造高温合金的一大重要生长和有效途径。(2)Hf在变形高温合金中的作用在变形高温合金中Hf的添加量要比在铸造高温合金中的少,大部门在1%(质量分数)以下。

Hf对变形高温合金组织和性能的影响,除净化合金和溶入固溶体外,过剩的Hf还会形成金属间化合物。在时效历程中,Hf会在固溶体剖析时进入γ'相,增加γ'相的数量,提高含金的室温强度,但合金塑性略有降低或保持在无Hf的水平,而且加入适量的Hf还能提高合金700~800℃的持久性能。

变形高温合金原料同时,通过对Hf含量差别合金晶粒长大动力学的分析指出,加入0.2%~0.5%的Hf可抑制晶粒在高温下长大,细化变形高温合金的晶粒。强碳化物形成元素Hf还会改变合金中MC型碳化物的组成和形态,淘汰M6C相,消除合金中的碳化物偏析,从而使变形高温合金的组织和力学性能获得显著改善。由上可知,Hf在铸造和变形高温合金中的作用只是细节上差别,如Hf添加量的差别以及析出相的变化,但在总体上相似。这可进一步预测,Hf在高温合金中的作用与在铸造和变形高温合金中会有一定的相同之处,而且都是有益的。

2.Hf在粉末高温合金中的作用或许从20世纪70年月初开始研究Hf在粉末冶金高温合金中的作用,其中研究较早的是PAl01和AF115合金,今后还对加Hf的Astroloy和NASAIIB-11台金举行了研究。迄今为止,外洋研制的以Hf作为添加元素的高温合金已经很广泛。现在正在使用的合金主要有PA101、ЭΠ741HΠ、RRl000和N18,还处于研究阶段的新一代加Hf合金有SR3和NRx等。

在Э741HΠ合金基础上研制的FGH97合金,是海内唯一获得应用的加Hf的高温合金。表1列出的为部门含Hf高温合金的化学身分。(1)Hf在高温合金Astroloy中的作用高温合金Astroloy是通用公司(GE)为用来替代涡轮盘用铸锻Waspaloy合金研制的,以提高力学性能和淘汰成本。

原始Astroloy由于较高的C,易使外貌析出MC型碳化物颗粒,凝固时在PPB上形成一连的网状脆性MC,会加速裂纹扩展,因此需要改变Astroloy身分,使生成的MC不会在PPB上析出,Astroloy及加Hf后的Astroloy身分如表2所示。由以上表2可知,对Astroloy添加0.1%~1.7%Hf的研究讲明,Hf增加了合金的过冷度,促进了γ′相形核,而且分配到了γ′相中。由于形成的HfC在高温时的热力学性质比TiC越发稳定,能在TiC之前形成且高温时不会剖析,提高了碳化物的稳定性,从而淘汰了MC的迁移。随着Hf加大量的增加,形成的主要是稳定且不易迁移的HfC,进一步降低了在PPB上形成网状MC的趋势,使PPB上网状毗连的MC变得稀薄不一连,改善了合金的性能。

加入Hf后形成了热力学性质越发稳定的HfC,不易剖析且不会迅速迁移。因此,Hf的加入能淘汰MC在PPB上的形成。高温合金原质料纵向开裂在Astroloy中,加Hf除了可以增加MC的稳定性。

淘汰热等静压(HIP)和热处置惩罚历程中的PPB析出外,另有其他用处,如在较低温时合金中的MC有剖析并形成膜状M23C6的趋势,一连膜状的M23C6对合金的力学性能具有强烈的负面影响,稳定的HfC可以从动力学上减缓MC—M23C6昀反映。


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