高溫合金怎么分類？
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高溫合金的種類
（一）鐵基高溫合金
鐵基高溫合金的定義是，這些合金的主要組分為鐵，并含有相當(dāng)數(shù)量的鉻和鎳，通常鎳含量大約為25%-55%，Ni+Fe≥65%為基，盡可能含有少量的鉬和鎢。因?yàn)殍F基高溫合金中鎳含量較高，所以也稱鐵-鎳基高溫合金。其強(qiáng)化方式為碳化物或金屬間化合物沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。金屬間化合物通常為Ni3(Al,Ti)即g’相。鐵基高溫合金是由奧氏體不銹鋼演化而來的。
各種合金元素的加入對合金帶來一種或多種所期望的性能。對于具有面心立方母體的合金，最有效地強(qiáng)化是由像Ni、Al、Ti、Nb這樣的元素實(shí)現(xiàn)的。這類合金也可通過加入相對大量的碳(約0.5%)以形成碳化物沉淀來強(qiáng)化，有時加入氮和磷以增加這種作用。
（二）鈷基高溫合金
鈷基高溫合金是以鈷作為主要成分，含有相當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭。偶然也還含有鐵的一類合金，與其他高溫合金不同，它不是由與基體牢固結(jié)合的有序沉淀相來強(qiáng)化，而是由已被固溶強(qiáng)化的奧氏體fcc母體和母體中分布少量碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強(qiáng)化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方（hcp）晶體結(jié)構(gòu)，在更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。為了避免鈷基合金在使用時發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，實(shí)際上所有鈷基合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點(diǎn)溫度范圍內(nèi)使組織穩(wěn)定化。鈷基合金具有平坦的斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能，這可能是因?yàn)樵摵辖鸷t量較高，這是這類合金的一個特征。鈷基合金比鎳基合金的焊接性能和抗熱疲勞性能更好。
（三）鎳基高溫合金
鎳基高溫合金是指在650℃-1200℃范圍內(nèi)使用，以鎳為基體的奧氏體型合金。具有在使用溫度下較高的強(qiáng)度，優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕性，是應(yīng)用最廣泛的高溫合金。鎳基高溫合金廣泛地應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)、各類燃?xì)廨啓C(jī)熱部件，如渦輪部分的工作葉片、導(dǎo)向熱片、渦輪盤和燃燒室等，由于鎳基高溫合金的工作溫度高、組織穩(wěn)定，有害相少，抗氧抗熱腐蝕性好，能在較高溫度和應(yīng)力條件下工作，因此在高溫合金中占重要地位。目前先進(jìn)的發(fā)動機(jī)上鎳基高溫合金已占總量重的一半左右，不僅渦輪葉片和燃燒室，而且渦輪盤甚至壓氣機(jī)葉片也開始使用鎳基合金。鎳基高溫合金按工藝分為變形、鑄造（定向、單向、共晶）、彌散強(qiáng)化機(jī)械合金化，快速凝固粉末合金四類，依靠新工藝開發(fā)不僅可提高高溫合金性能，還相應(yīng)開發(fā)出多種新合金。
1 鎳基變形高溫合金
鎳基變形高溫合金是以鎳為基體（大于50%）的可塑性變形的高溫合金。在650℃-1200℃溫度下具有較高的強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。分為固溶體強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化兩類。自1941年英國發(fā)明第一種Nimonic75合金以來，由于其基體穩(wěn)定，合金化強(qiáng)化潛力大，綜合性能優(yōu)異等，得到系列發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
⑴固溶強(qiáng)化型合金。
通過添加與Ni原子尺寸不同的W,Mo,Cr等使基體晶格畸變；加入降低合金層錯能元素Co；減緩基體擴(kuò)散速率元素W,Mo等，可獲得一定高溫強(qiáng)度、抗氧化、抗燃?xì)飧g，冷熱疲勞性能好，具有良好冷成型和焊接性能的系列合金。
⑵沉淀強(qiáng)化型合金。
主要是通過固溶處理進(jìn)行時效處理；從過飽和固溶體γ中沉淀出γ’相，阻礙位錯運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化合金。其次輔助以固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。具有較高的高溫蠕變強(qiáng)度、抗疲勞性能與抗氧化、抗腐蝕性能。
2 鎳基鑄造高溫合金
鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金。在600℃-1100℃的氧化和燃?xì)飧g氣氛中，可承受復(fù)雜應(yīng)力長期可靠的使用。廣泛應(yīng)用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片、渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及航天、能源、石油化工等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)件。
固溶強(qiáng)化是通過向基體中添加不同量的Cr,Co,W,Mo,Ta,Nb等元素，提高原子間結(jié)合力，使晶格畸變，降低堆垛層錯能，產(chǎn)生短程有序及其原子偏聚，阻止位錯運(yùn)動，降低固溶體中元素?cái)U(kuò)散系數(shù)，強(qiáng)化合金基體。沉淀強(qiáng)化是通過添加Al,Ti,Nb,Ta,Hf,Re等元素，形成穩(wěn)定的γ’相；加入C,B等元素與Cr,Ti,Nb,Hf,W,Mo等形成各類碳化物，強(qiáng)化合金及晶界，強(qiáng)化作用取決于強(qiáng)化相的類型、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布。晶界強(qiáng)化通過加入微量B,Zr稀土元素添補(bǔ)原子空位，提高晶界合金化程度，凈化晶界，減緩晶界擴(kuò)散，強(qiáng)化在高溫應(yīng)力作用下合金的薄弱環(huán)節(jié)晶界。
1.1.3 高溫合金的強(qiáng)化
（一）強(qiáng)化原理
1 固溶強(qiáng)化
固溶強(qiáng)化是將一些合金元素加入到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，而僅形成單相奧氏體來達(dá)到強(qiáng)化的目的。高溫合金中，合金元素的固溶強(qiáng)化作用首先是與溶質(zhì)和溶劑原子尺寸因素差別相關(guān)聯(lián)，此外兩種原子的電子因素差別和化學(xué)因素差別都有很大影響，而這些因素也是決定合金元素在基體中的溶解度的因素。
固溶強(qiáng)化提高熱強(qiáng)性主要反映在兩方面：
（1）通過原子結(jié)合力的提高和晶格的畸變，使在固溶體中的滑移阻力增加，也就是使滑移變形困難而強(qiáng)化，這在溫度T≤0.6T熔（熔點(diǎn)的絕對溫度）時是相當(dāng)重要的。
（2）在高溫使用條件下（T≥0.6T熔）更為突出的是通過原子結(jié)合力的提高，降低固溶體中元素的擴(kuò)散能力，提高再結(jié)熔晶溫度，阻礙擴(kuò)散式形變過程的進(jìn)行，因而直接影響滑移變形對形變量的貢獻(xiàn)。
2 第二相強(qiáng)化
（1）內(nèi)應(yīng)力場的作用 以γ’相強(qiáng)化為例，由于γ’相在基體中共格析出，而在γ’相周圍造成高的彈性應(yīng)力場。顯然γ’相與基體的點(diǎn)陣錯配度越大，內(nèi)應(yīng)力場也越強(qiáng)，相應(yīng)得強(qiáng)化效果也應(yīng)該是越顯著，同時也增大了γ’相本身的不穩(wěn)定性。
（2）位錯在第二相前受阻，通過擴(kuò)散機(jī)構(gòu)繞過第二相障礙的作用
（3）位錯與第二相顆粒的交互作用 鐵、鎳及高溫合金中析出的γ’相，由于它與基體共格，具有與基體γ相同的晶體點(diǎn)陣，所以它能夠被在基體滑移面上移動的位錯所切割，形成超點(diǎn)陣位錯和反相疇界。
第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、間距、數(shù)量及分布，直接影響其強(qiáng)化機(jī)制。
3 晶界強(qiáng)化
與室溫強(qiáng)化相反，晶界在高溫形變時表現(xiàn)為薄弱環(huán)節(jié)，因而在破斷時呈現(xiàn)晶間斷裂的特征。晶界的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，原子排列雜亂，晶格歪扭，同時又有各種晶體缺陷（如位錯、空洞等）存在。在室溫快速形變下，由于晶界不參與形變，并且可阻止晶內(nèi)滑移的貫穿，因而有利于合金的強(qiáng)化。但是，在高溫蠕變時，晶界弱化并參與變形，有時晶界形變量甚至可占總形變量的50%。在某種程度上可以認(rèn)為，在常溫下，晶界強(qiáng)度比晶內(nèi)高，但晶界強(qiáng)度隨溫度升高下降的很快，在某一溫度區(qū)間，晶內(nèi)強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度大致相當(dāng)。溫度再升高，晶界強(qiáng)度就比晶內(nèi)強(qiáng)度低。
晶界通過多種途徑對多晶材料產(chǎn)生重大的影響 `
（1）位向的作用。這里僅指晶界兩邊的晶粒位向不同而造成的影響；
（2）晶界區(qū)結(jié)構(gòu)的作用。這里不僅指晶界去本身的結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)，而且還指在晶界區(qū)存在的第二相質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)，及晶界區(qū)的其它組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；
（3）晶界區(qū)化學(xué)成分（偏析）的作用。由于晶界區(qū)的結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)，會帶來雜質(zhì)元素或其它元素（特別是微量元素）的偏析；由于晶界區(qū)的某些動力學(xué)現(xiàn)象，造成元素的局部貧富。
晶界的強(qiáng)化方式：
①添加有益的合金化元素，主要包括稀土元素，鎂、鈣、鋇、硼、鋯等元素。這些元素往往通過凈化合金及微合金化兩個方面來改善合金。稀土元素和堿土元素凈化合金的作用比較明顯，而硼、鋯、鎂等主要起強(qiáng)化晶界作用。
②控制晶界，常采用彎曲晶界以及取消橫向晶界的手段來提高高溫合金的晶界性能。
4 碳化物強(qiáng)化及質(zhì)點(diǎn)彌散強(qiáng)化作用
對于以碳化物析出沉淀硬化的鐵基和鈷基高溫合金，由于碳化物硬而脆的本質(zhì)及其非共格析出的特點(diǎn)，其強(qiáng)化作用有以下特點(diǎn)：
（1）低溫下位錯以O(shè)rowan繞過方式通過碳化物第二相。高溫蠕變條件下，位錯攀移機(jī)制起重要作用，位錯切割碳化物是非常困難的。
（2）并非所有碳化物具有強(qiáng)的時效強(qiáng)化能力，作為主要時效強(qiáng)化相的碳化物，必須具備以下條件：
1) 具有高溫下可以溶解和低溫下析出的可能性。極穩(wěn)定的碳化物高溫下難于溶解，低溫下就不能有效析出。
2）碳化物的結(jié)構(gòu)與奧氏體基體相似，具有均勻析出的條件。晶界碳化物只對晶界行為產(chǎn)生有利或不利的影響。
3）作為主要強(qiáng)化相的惡碳化物必須有一定的穩(wěn)定性。高溫下容易長大的碳化物將失去強(qiáng)化效果。
（3）增加碳化物數(shù)量及彌散度有利于提高強(qiáng)化效果，但過分高的碳飽和度，往往有利于形成大塊碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。一般碳化物總量不能太大，因此強(qiáng)化程度是有限制的。
（4）強(qiáng)化基體，減少元素的惡擴(kuò)散能力，這對于較易聚集長大的碳化物相來說是至關(guān)重要的?；w固溶體中的位錯及層錯處是碳化物析出形核處。時效析出前，固溶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)對碳化物的析出以及碳化物與位錯的交互作用有重要影響。碳化物在使用中發(fā)生的應(yīng)變時效有強(qiáng)的強(qiáng)化效果。 .
（二）主要合金相
（1）γ’ 相
γ’相是鎳基合金和很多鐵基合金的強(qiáng)化相，其點(diǎn)陣常數(shù)與γ基體相近，一般相差1%以下?？紤]到高溫下γ’的穩(wěn)定性，通常要求γ和γ’之間只有較小的失調(diào)度。γ’沿基體的{100}面析出，并與基體共格。γ和γ’之間的界面能較低，所以γ’有較高的組織穩(wěn)定性。
γ’相的數(shù)量、尺寸和分布對合金的高溫強(qiáng)度有重要影響。鎳基合金的高溫強(qiáng)度隨γ’的數(shù)量增加而增高。大多數(shù)鎳基合金中γ’相的體積分?jǐn)?shù)為30%以上，最強(qiáng)的合金中達(dá)60%以上。合金中γ’相的體積分?jǐn)?shù)小時，其顆粒大小和間距對合金的性能有重要影響。
（2）TCP相
TCP相是指Laves相（B2A）s相(BA)、μ相(B7A6)、c相等。其中A元素通常指周期表中Mn族以左的元素，如鈦?zhàn)濉⑩C族、鉻族等；B元素為錳族及錳族以右的元素，如鐵、鈷、鎳等。它呈板狀或針狀，在特殊成分并且在特定條件下的合金中才可能形成。這種相存在的可能性隨錠塊中溶液偏析而增大，TCP相是高溫合金中的脆性相，使合金斷裂強(qiáng)度和塑性降低，對強(qiáng)化產(chǎn)生負(fù)作用。
（3）碳化物
一類是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物，如M23C6、M6C，亦稱半碳化物，金屬原子高度密排，碳原子處于間隙位置。再者也是密排結(jié)構(gòu)，但由于金屬原子比較小，八面體間隙太小，容不下間隙原子，所以這種密排結(jié)構(gòu)是具有較大的三棱形間隙的結(jié)構(gòu)，間隙原子碳就在這種間隙位置，又稱非八面體間隙化合物，如M3C M7C3。在熱處理和服役期，MC型碳化物傾向于分解為其他碳化物，如M23C6和M6C，并傾向于在晶界形成。
1.1.4 高溫氧化
（一）合金的氧化
合金的氧化與純金屬的氧化存在許多相似之處，純金屬氧化中發(fā)生的現(xiàn)象，
也常會在合金氧化中發(fā)生。合金氧化行為的特殊性表現(xiàn)在：
（1） 合金組元的選擇性氧化。合金各組元對氧化不同的親和力，與氧親和力大的組元優(yōu)先氧化。若此親和力相差懸殊，甚至可能形成只含有一種合金組分的氧化膜，即發(fā)生組元的選擇性氧化，而在基體中該組元則相對地貧化。
（2） 相的選擇性氧化。當(dāng)合金中各相在界面上化學(xué)穩(wěn)定性由顯著差異時，則不穩(wěn)定相優(yōu)先氧化，造成合金表層組織不均勻性。
（3） 內(nèi)氧化。如果合金具有一定的氧溶解度，并且氧向合金內(nèi)部的擴(kuò)散速率較快，合金中較活潑的組元便在合金內(nèi)形成氧化物，即發(fā)生內(nèi)氧化。
（4） 合金氧化膜的組成和結(jié)構(gòu)有多種可能形式。當(dāng)合金氧化時，有時可能只有其中一種與氧親和力特別強(qiáng)的組元生成氧化物；有時則各組成元素均可能發(fā)生氧化，生成各種氧化物。因此，合金的氧化膜在一層中可能由兩個或兩個以上的相組成；而純金屬氧化膜，即使由多層組成，各層往往只是一個相。
（5） 合金中各種氧化物之間相互作用可能生成氧化物的固溶體或復(fù)合氧化物，形成不同組成關(guān)系。
（二）鎳基高溫合金的抗氧化性
鎳基合金是目前在高溫高負(fù)荷條件下使用的優(yōu)良耐蝕合金。鎳氧化時只生成p型半導(dǎo)體NiO膜，其氧化反應(yīng)速率和氧化膜增長速率都顯著低于Fe和Co。由于NiO的晶格常數(shù)小和晶體中陽離子空穴濃度低，NiO銹皮具有很好的致密性和低的氧化速率。此外。NiO具有優(yōu)良的高溫塑性，并與基體鎳有近似的熱脹系數(shù)，這使銹皮在應(yīng)力和溫度交變作用下能牢靠地附著在基體表面而不脫落。但是NiO表面可大量吸附氧，鎳中溶解氧的能力也比Fe，Co強(qiáng)，因此鎳基合金易發(fā)生內(nèi)氧化。鎳的高溫抗氧化性優(yōu)于Fe和Co，而略低于鉻。鎳的抗氧化溫度可達(dá)1100℃，并且有良好的抗高溫碳蝕、氮蝕、鹵素氣體腐蝕，但是在含硫的氣體中其腐蝕抗力較差。
