一:厉害了,买卖这种金属材料等同买卖军火!

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“只要发动机牛,绑上一块木板也能飞起来。”


俄罗斯航空发动机领域大伽 法沃尔斯基 的这句名言广为人知,这一理念也在米高扬设计的米格-25战斗机上得到完美体现。和常规设计使用铝合金不同,米格25机身大量使用了超重的不锈钢材料。尽管空载重量已经接近20吨,但它仍能轻易突破3倍音速,这不得不归功于它搭载的强大发动机—— R-15-300。


ps:米格25之所以使用不锈钢,主要是因为飞行速度突破“热障”后导致机身温度过高,铝合金无法承受。


航空发动机上的“超级合金”


超级合金(superalloy),又叫高温合金,热强合金,被大量应用在航空发动机制造中,如涡扇、燃烧室部件等。



鉴于超级合金目前的市场需求主要都是军用产品,由于其军工价值所以也被视为战略物资,买卖这种材料被视为与武器贸易相同等级来加以管制,而配方与制造方法、加工使用都是重要机密,各航空大国都在极其保密的条件下研制。


超级合金有什么特点?


卓越的力学性能耐高温蠕变性能出色的表面稳定性耐腐蚀(氧化)性能。通俗地表达就是:强壮、耐高温、耐腐蚀。


高温合金其典型的晶体结构为面心立方奥氏体。


常见的超级合金有哪些


1) 哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelloy)

2) 因科镍合金(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) 雷内镍基高温耐蚀合金(Rene alloys)

7) MP98T(由美国SPS技术公司开发,可以承受高压氢环境,如使用氢作为燃料的火箭发动机,防止变脆)

8) TMS合金(TMS alloy,日本国家金属材料研究所开发的单晶高温合金)

9) CMSX单晶合金(美国Cannon-Muskegon公司开发的单晶高温合金)。


超级合金的研发思路


超级合金的这些特点来源与化学成分和制造工艺的创新。


卓越的力学性能和高温强度主要是通过固溶强化和析出强化达到,如γ相析出和碳化物的析出。


耐蚀性或耐氧化性的贡献主要来自于组成超级合金的化学元素的贡献,例如铝和铬。


超级合金的分类


按基体组织分类:铁基、镍基和钴基。

按生产方式分类:铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。

按强化机理分类:碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。


超级合金的用途


这种材料一般用于航空和航海用发动机耐高温材料的制造,特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。


中国高温合金自成系列


变形高温合金


用GH后面跟4位阿拉伯数字表示。


第一位是1,表示铁基固溶强化高温合金。

第一位是2,表示铁基时效强化高温合金。

第一位是3,表示镍基固溶强化高温合金。

第一位是4,表示镍基时效强化高温合金。


变形高温合金如果用作焊丝,在GH前添加H表示。


铸造高温合金


用K后面跟3位阿拉伯数字表示。

第一位是2,表示铁基时效强化高温合金。

第一位是4,表示镍基时效强化高温合金。


常见的超级合金详情大解析


1) 哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelloy)


哈氏合金的分类


我们常说的哈氏合金,其实分为两类产品,分别是耐高温的海恩斯合金(Haynes alloy)和耐腐蚀的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelloy)。


耐腐蚀

哈斯特洛伊合金HASTELLOY®


Hastelloy alloy是Haynes International,Inc.所生产的镍基耐蚀合金的商业牌号的统称。


1922年,HASTELLOY® 商标正式注册,该名称取自Haynes Stellite Alloy,即“HAYNES STELLITE ALLOY” = HASTELLOY®。


HASTELLOY®包括镍钼系HASTELLOY® B-3®合金,镍铬钼系HASTELLOY® C-4 合金,铬镍铁系HASTELLOY® G-30®合金等。

HASTELLOY® 的属性包括高耐持续侵蚀特性,突出的耐局部腐蚀性, 卓越的耐应力腐蚀开裂性能,和易于焊接和加工的特性。(盐酸、硫酸、磷酸等各种酸都hold的住。)


除军事用途外,目前该系列合金已广泛应用于化工行业,也越来越多应用于能源,健康和环境,石油天然气,制药和废气脱硫工业等领域。


哈氏合金典型牌号及应用特点



2) 因科镍合金(Inconel)


因科镍合金是英文Inconel的中文音译,它本质上是一组 奥氏体 镍-铬基 超级合金的统称。


Inconel系列最早开发于1940年代,是英国赫里福德 (Hereford, England)的威金斯合金厂(Wiggin Alloys)研发的产品,以支持惠特尔喷射引擎(Whittle jet engine)的相关研究。


该厂后来被美国的特殊金属公司(Special Metals Corporation)收购。


因科镍合金(Inconel)的特点


Inconel的特点和哈氏合金类似,或者说这是超级合金之所以被冠以“超级”两字的原因:和其他金属材料比更加耐氧化、耐腐蚀。


常见工程金属材料(如钢、铝等)只要遇上高温,往往晶体内部就开始产生晶格空穴缺陷,进而导致严重蠕变现象。通俗地说,就是会在高温下结构强度下降,使制造出来的产品失去原来的功能。




举个典型应用的例子


大家都知道航天飞机发射前必须固定在发射平台上。怎么固定呢?用8个大型双头螺栓,通过机械连接来支撑整个待发射航天飞机系统的重量。


发射场通常建设在荒漠中,环境恶劣,发射时温度也相当高,所以这8个双头螺栓用的可不是普通材料。它不但要有一定的强度,还要耐高温、耐腐蚀、适应高压高动能要求,只能使用因科镍合金制造。


8个巨大的因科镍螺栓用易碎螺母固定,在发射时通过爆炸物分离螺母,就能释放发射平台上的航天飞机了。



因科镍合金的特性和原理


耐蚀性:

Inconel受热时,合金表面会钝化出一层又厚又稳定的钝化氧化层,保护合金内部不受腐蚀。


耐高温:

不同类别的Inconel,利用固溶强化或析出硬化的机制在高温下维持良好机械性质。Inconel在很广的温度范围内,能维持良好的力学性能。


这使得因科镍合金适用于各种高温、高压的严苛环境。这是常见的工程金属材料如钢、铝等所做不到的。


小知识


1、工程上有时简称Inconel为"Inco"(或误拼为"iconel")。常见的因科镍625合金商标名包含:

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


2、不同型号的Inconel有着大不相同的化学成分,然而皆由镍为主成分,而铬占比第二。


3、对采取析出强化或时效强化作为强化机制的这些Inconel而言,少量铌和镍结合,形成金属间化合物Ni3Nb或称为γ’相。


γ’相会长成细小的立方晶胞,在高温下有效阻止滑移和蠕变的进行。γ’相会随时间长大,特别是暴露于850℃的热环境3小时后,并在暴露于72小时后继续长大。


这是因科镍耐高温的主要原理。


因科镍合金的应用主要介绍4个方面:用途(典型应用)、连接(比如焊接)、加工(比如削切)、典型牌号及其特点。


因科镍合金通常使用在各种极端环境中


例如:


燃气涡轮机:叶片,密封和燃烧室,涡轮增压机的转子和密封,

电动潜水深井泵:马达轴,高温紧固件;

化工和承压容器热交换器:管道系统;

蒸汽发生器和核电站:压水反应堆的核心部件。

各种含H2S and CO2天然气的处理装置。


以及


枪炮消声器导流板;

F1赛车, NASCAR, NHRA和APR, LLC的排气系统;

第三代马自达Mazda RX7的涡轮增压系统;

配置高功率旋缸发动机的Norton摩托车排气系统(尾气温度高达 1000℃)。


甚至


在垃圾焚化炉锅炉系统中的用量也在不断增加。

欧洲环流器和通用原子能公司DIII-D(聚变反应堆)托卡马克真空容器也是用Inconel制造的。

Inconel 718通常用于低温储罐,井底轴杆和井口部件。


因科镍合金很难进行机械加工

因为其“快速的加工硬化特性”


由于因科镍合金具有快速加工硬化的特点,采用传统的技术首道次机加工后,加工硬化常常会使工件或第二道次加工工具发生塑性变形。


我们常说的因科镍合金难切削,就是因为这个原因。


但这并不是不能优化规避的


使用先进的刀具或其他加工工艺:


1、新型的晶须增强陶瓷刀具可用于加工镍合金,其切割速率是常规硬质合金刀具的8倍。


2、Inconel板材通常采用水切割方法来完成。


3、Inconel制作的零件也可采用选择性激光融化的方法来实现。


合理安排工艺流程:


1、可将大部分机加工工作在工件固溶处理后完成,仅将最后加工道次放在时效硬化后进行。


2、对于时效硬化的Inconel,例如对于718合金,机加工时使用硬质合金刀具,应采用重进刀低切削速度,尽可能减少加工道次


3、在固溶处理状态下(对时效硬化合金),如外螺纹的加工可采用车削螺纹辊压螺纹的方式。


4、因科镍718合金通过采用感应加热到1300℉(704℃),晶粒尺寸不长大并完全时效后,也可采用辊压螺纹。

带内螺纹的孔可采用铣削螺纹,内螺纹也可采用电火花加工来实现。


PS:与机加工方法相比,镍合金零部件成形和表面处理的方法更多选择水射流,激光和研磨,因为这些方法更经济。通过选择合适的磨料硬度,磨削轮通常不受材料加工硬化的影响,并保持锐利和持久度。


因科镍合金如何连接


部分Inconel的焊接会很困难(特别是γ’相析出硬化类合金,包括X-750和我们稍后会介绍的Waspalloy)。


这是由于焊缝热影响区的开裂和合金元素显微偏析造成的,当然,如625和718等合金,在设计时就已经考虑了这些并解决了焊接问题。


最常用的焊接方法是气体保护钨极氩弧焊和电子束焊接。近几年来,脉冲微功率激光焊越来越多地被用于某些特定用途。


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本文作者2019-3-27 16:23
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