二:厉害了,买卖这种金属材料等同买卖军火!

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因科镍合金的典型牌号


Inconel 600: 固溶强化型。

Inconel 625: 耐酸,焊接性能良好。低周期疲劳型625常用于波纹管。

Inconel 690: 钴含量较低,适于核能相关应用,电阻率较低

Inconel 713C: 析出硬化型镍铬基铸造合金

Inconel 718: 带有γ"相强化,焊接性能好。

Inconel 751: 添加较多铝,使其在870℃附近的高温范围有较好的抗破断强度。

Inconel 792: 添加较多铝,使其在高温下有更加耐蚀,特别适于制造燃气涡轮机。

Inconel 939: 以γ'相强化增加可焊性。


PS:以析出强化或时效强化为设计概念的Inconel,加铝和钛的目的,通常是为了形成金属间化合物Ni3(Ti,Al)或γ'相;γ'相为细小立方晶胞,在高温下可有效抑制滑移与蠕变。



3) 沃斯帕洛伊合金(Waspaloy)


Waspaloy是美国联合技术公司(United Technologies Corp)的注册商标,它是一种时效硬化奥氏体(面心立方晶胞face-centred cubic)镍基超级合金。Waspaloy合金的典型应用场是高温用途,特别是应用于燃气涡轮机上。


典型化学成分


Ni:58%,Cr:19%,Co:13%,Mo:4%,Ti:3%;Al:1.4%


化学成分表



性能


Waspaloy是一种时效硬化镍基超级合金,在980℃(1800℉)以下具有出色的力学性能。Waspaloy的其他特征包括优良的耐腐蚀性能,耐氧化性能,适宜于在极端环境中服役。


Waspaloy合金在760-870℃ (1400-1600℉)温度区间内仍具有相当好的强度值,以及优良的抗氧化性,可服役于温度高达870℃(1600℉)燃气涡轮发动机工作环境。在620-650℃(1150-1200℉)温度范围内,Waspaloy合金的蠕变断裂强度明显优于718合金。其730°C (1350°F)以下的短时热抗拉强度劣于RA718。


物理性能


密度:0.296 lb/in3

熔化温度:2425 - 2475℉


力学性能


典型拉伸性能,热处理,板


根据相关资料,Q345B牌号在700℃时屈服强度约为90-100MPa,而21℃时屈服强度为345-390MPa。在700℃高温下,Q345B力学性能下降60%以上,但沃斯帕洛伊合金仅下降不到13%,可见其良好的耐高温性能。


典型蠕变断裂强度,热处理,板- 在所列时间的断裂应力值



相应材料技术规范


AMS 5544, AMS 5708, AMS 5828

EN 2.4654

UNS N07001

Werkstoff 2.4654


用途


Waspaloy通常使用在极端环境中。常见应用包括:燃气涡轮机的叶片,密封,环,轴和涡轮盘。由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)认证的标准物质1243,作为X射线荧光光谱仪(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)的一种标样,就是用Waspaloy合金制作的。


英国飞机公司(British Aircraft Corporation,BAC)的TSR-2,一种1950年代后期开始研制的超音速攻击机,其机身后部排气喷嘴四周有一个整流罩,由于这个区域的高温特点,该整流罩是用 Waspaloy制作成形的,并且不进行喷涂。这种合金的加工制作被描述为“非常棘手”,它是由布里斯托尔(Bristol)的发动机专家团队负责实施的,而非由的飞机机身制造商BAC来完成。


(Tail of TSR-2, showing the unpainted Waspaloy fairing)


4) 海恩斯合金(Haynes alloy)


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)。


耐高温

海恩斯合金(Haynes alloy)


海恩斯合金的特点是耐高温,非常耐高温,以海恩斯合金中的牌号HAYNES® 214® 为例,具有高达2200°F (1204°C)的超级抗氧化性能。


1204℃是个什么概念呢?大家知道,钢的熔点大约在1500℃左右,而我们常说的热轧工艺是把钢坯加热到大约1200~1300℃左右,然后把钢坯像面团一样擀薄。


也就是说海恩斯合金的工作极限温度非常高,这个温度下普通的低碳钢已经像面条一样柔软,不具备基本的结构强度。


鉴于这一超级抗氧化性能,海恩斯合金不单被应用在航天港空工业中,在陶瓷,金属加工,汽车和电子行业,甚至钢厂的设备中都有广泛应用。



5) 因科洛伊合金(Incoloy)


上面我们介绍了因科镍合金,同样也是属于美国的特殊金属集团商标的,还有一个低成本的超级合金犀利——因科洛伊合金Incoloy® 。


什么是因科洛伊合金


Incoloy® 合金是特殊金属公司集团

(Special Metals Corporation group of companies)

生产并商标注册的一系列超级合金产品。


Incoloy®因科洛伊合金大部分可归类为镍基系合金,具有超常的耐蚀性和高温强度,对于某种特定的化学物质的侵蚀可选用特定的Incoloy。


例如:

020 合金适用于耐硫酸腐蚀的场合,而DS合金适用于炉内为反应性气氛,且热循环次数较多的热处理炉部件。


因科洛伊合金的特点


由于Incoloy®合金的Fe含量较高,成本相对较低,使它成为非临界高温应用场景下的理想材料。它的另外一个特点是相对较好可加工性。用户可直接使用原用于加工不锈钢材料的机器和加工工艺对其进行加工处理。


Incoloy®合金对海水、卤水、酸气和高氯离子环境的高耐受性,使其成为石油天然气工业最受欢迎的一种材料。Incoloy®合金是目前最严苛化学环境中使用得最多的材料,它的应用场景包含但不限于:各类酸的处理,湿法洗涤,核燃料和反应性气氛的工业炉。


因克洛伊合金在我们钢铁行业中也有大量应用

如炉辊、辐射管、烧嘴等等


由于Incoloy合金类型较多,此处挑选了几个比较典型的Incoloy合金做一简单介绍。详见下图



6) 雷内镍基高温耐蚀合金(Rene alloys)


镍基高温合金指的是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。


随着计算机信息技术的发展,计算机在Ni基高温合金的工艺控制中扮演了重要角色,如Rene第3代合金在研制过程中就采用计算机进行成分演算、统计筛分、成分优化等工序。近年来,除了合金耐高温、耐腐蚀、耐氧化、抗蠕变、机械强度等综合性能外,相关核心技术也重视合金与环境的协调性、减少维护、扩展材料的使用寿命、以及减小合金的制备成本等方面。


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)


美国SPS技术公司成立于1903年,是一家技术领先的高强度紧固件与精密零部件制造厂商。最近,SPS公司新推出了一种由超合金制成的紧固件,并命名为SPSMP98T^TM,这种新材料集高强度、高韧度与防腐蚀特点于一体,其性能远远高于以前的紧固件材料。SPSMP98T材料的最小抗拉强度为1241MPa,经ASTME1820样品测试,MP98T材料的普通断裂韧度值超过1379MPa。MP98T中的合金可以承受高压氢环境(例如使用氢作为燃料的火箭发动机等),防止变脆。MP98T紧固件强度高,断裂韧度前所未有,因此,是飞机发动机及机身的理想零部件。 


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)


TMS(Tokoyo Meguro Single)合金,日本国立材料研究所(NIMS)在此项技术中是非常著名的,虽然小编也是抗日份子,但这方面不得不说他领先。


关于NIMS


日本国立材料研究所(National Institute for Material Science:NIMS)是日本最大的研究所之一,它由国立金属材料技术研究所(NRIM)和国立无机材料研究所(NIRIM)合并而来。NIMS主要进行材料的合成,表征和应用的研究,包括金属,半导体,超导体,陶瓷,有机材料,和纳米材料等等。涵盖了电子,光学,涂料,燃料电池,催化剂,生物技术等范围的应用。同时发展了电子显微镜,高能离子束,强磁场等技术。大多数研究是实验性研究,但至少有一个研究中心,致力于理论研究。


TMS系列单晶


TMS(Tokoyo Meguro Single)是NIMS开发的镍基单晶高温合金系列。近年来,NIMS相继成功研制第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS196,TMS-238等,在镍基单晶高温合金的研发领域,走在了世界的前列。


表1 TMS物理、力学性能和工艺特点



日本NIMS开发的TMS系列单晶成功进行了系列化的发展,TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196,TMS-238。


TMS-82+是NIMS和东芝公司合作开发的单晶,相比同代的CMSX-4单晶,在蠕变应力近137.3MPa下承温能力提高30℃,热处理窗口宽有利于进行热处理,同时具有良好的高温抗腐蚀能力和相稳定性,相比第三代单晶TMS-75具有更多连续的γ′竹筏结构和更细小的位错网络,有效降低蠕变应变率。此外,TMS-82+具有良好的低周疲劳强度,具有与CMSX-4相当的抗氧化性能。通过1年15MW 发动机试车考核,该单晶叶片表面无损伤,保持良好的相稳定性,无竹筏结构。


TMS-75是NIMS和KHI(川崎重工)合作开发的单晶,中温到高温段具有优良的蠕变强度,并且具有良好的抗热腐蚀能力。


TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI(石川岛播磨重工)合作开发的单晶,两者都具有良好的高温蠕变强度、微观组织稳定性和抗热腐蚀能力。


TMS-196是NIMS独立开发的单晶,该合金不仅具有良好的微观组织稳定性,同时具有良好的综合性能,包括蠕变性能、热机械疲劳和抗氧化能力。相比第二、三代单晶,第四、五代单晶提高了高熔点元素含量,如Mo、Re和Ru,虽然极大提升了蠕变性能,但是降低了抗氧化性能。第六代单晶TMS-238在第五代单晶TMS-196基础上优化了成分,呈现出良好的高温蠕变强度和抗氧化性能。


TMS系列单晶的特点在于热处理窗口非常宽,有助于大尺寸零件的热处理。另一个特点在于Mo含量高,形成γ/γ′界面上细小的位错网络,有效提高了蠕变性能。



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


叶片是飞机发动机的重要零部件,不管是星条旗,还是伏特加,都在叶片制造等技术上一直封锁我国。很多网友抱怨,我国是世界第一的产钢大国,为何却不能造出好的叶片用钢,其实那不是钢,而是单晶合金。


众所周知,增强涡轮叶片的承温能力可直接提高涡轮进口温度,而提高涡轮进口温度是提高航空发动机效率的有效方法。20世纪70年代后期,单晶高温合金由于其优良的热阻特性,被引入到商业航空燃气喷气发动机涡轮叶片中。采用单晶合金发动机的燃油效率比采用定向合金提高30%以上,寿命大大延长。最新航空发动机的涡轮进口温度高达1777℃,见表2。


表2 国外航空发动机的发展历程




例如,采用第三代单晶合金作为叶片材料的推重比为10的F119发动机涡轮进口温度为1677℃,比采用定向合金的推重比为8的F100发动机涡轮进口温度(1370℃)提高了307℃。


F-119-PW-100


美欧等国的单晶高温合金应用研究已比较成熟,并在民用航空发动机上得到了广泛应用,单晶合金应用的相关发动机型号与机型如表2所示,尤其是第二代单晶叶片的工程化应用技术,目前正在服役的单晶叶片零件估计超过百万件。


由表3中单晶合金的应用情况总结得出,Pratt & Whitney(P&W公司)与IAE(P&W,RR,JACE,MTU合资公司)系列发动机主要采用PWA系列单晶合金,GE和CFM(GE,SNECM合资公司)系列发动机主要采用René系列单晶合金,Rolls-Royce(RR公司)Trent系列发动机主要采用CMSX系列单晶合金。


表3单晶高温合金叶片在航空发动机中的应用




René系列单晶的专利权人是GE公司,由第一代单晶RenéN4发展到第二代单晶RenéN5和第三代单晶RenéN6。


CMSX系列单晶的专利权人是Cannon-Muskegon公司,由第一代单晶CMSX-3发展到第二代单晶CMSX-4和第三代单晶CMSX-10。


RR公司开发的单晶RR3000和RR3010在美国的Cannon-Muskegon公司生产,按美国惯例需冠上该生产单位的品牌名,命名为CMSX-10K和CMSX-10N,产品验收采用RR公司的企业标准。


PWA系列单晶的专利权人是美国联合技术公司,被P&W公司收购,由第一代PWA1480发展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。



PW4000发动机


第四代、第五代单晶的发展以TMS系列单晶为代表。TMS系列单晶是由NIMS研究所研制的。2006年,RR公司在日本NIMS建立航空先进材料研究室,与NIMS联合开发单晶材料。


单晶的承温能力一般以137MPa/1000h蠕变断裂为标准进行判断,第二代单晶承温能力大致为1040℃,相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了25~30 ℃,每提高25~30℃相当于延长叶片寿命3倍。​​​​


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本文作者2019-3-27 16:25
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