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高温合金的发展及前景

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《热加工工艺杂志》2016年第三期

从广义来讲,以铁尧镍和钴为基础的,同时工作温度达到600℃的金属材料就是高温合金[1]。高温合金在高温的条件下强度高,具有优良的抗氧化性和耐腐蚀性。在高温甚至超高温的情况下工作依然不会受到影响。本文对高温合金的加工特点尧发展历程以及需求进行了介绍。

1高温合金材料的加工特点

高温合金一般可划分为铁合金尧钛合金以及钴合金,这类合金具有耐高温的特性,但是这增加了其加工难度。通常在加工过程中的切割力和高温共同作用下,加工的合金很易变形或者破碎,进而会使加工件毁坏。部分的合金在加工过程中会产生表面硬化现象,这会导致工件受力不均匀,极易对加工的零件精度造成影响。在钛合金加工过程中会出现上述问题。加工钛合金需要的切削力较强,远高于钢需要的切削力,但是钛合金本身具有的特殊性,同样造成了加工困难。主要的原因有:第一,高温合金包括钛合金在加工过程中极易硬化[2]曰第二,钛基的合金导热性能比较差,这就使得加工过程中产生的热量全部聚集在刃上曰第三,钛合金的弹性较差,在进行切削时,使工件的精度容易受到影响曰第四,在所有的合金中,钛合金化学性能是最为活泼的,这就导致在加工过程中易发生化学反应,使工件产生质量问题。这说明了高温合金的加工需要特殊的加工技术来实现[3]。

2我国高温合金的发展阶段

我国高温合金的发展可分为三个阶段。第一阶段是指从1957年至1970年左右,这是我国高温合金的产生和起步阶段,在苏联专家的指导下研制出第一种高温合金渊GH3030冤[4-5]。这个阶段主要仿制前苏联高温合金,例如GH4033尧GH4037系列的和K403尧K406的等[6]。第二阶段是指20世纪70年代到90年代后期这段时间,这是我国高温合金的开始发展阶段。参照国外的技术标准[7],进行研制和生产工作,在生产过程中建立严格的质量管理体系,学习国外的质量检测标准,加强对材料质量控制和质量检测工作。这一阶段,将传统的工艺同西方的先进工艺相融合,研制成功了多种新型的高温合金,同时我国高温合金的生产工艺技术得到了提高,产品质量方面达到了一个新的高度,甚至达到了西方发达国家的技术水平[8]。第三阶段是从20世纪末至今这段时间,这是我国高温合金快速发展的阶段。该阶段,我国自主开发出一系列新工艺,研制出一批具有高性能尧高档次的新型高温合金。例如,粉末涡轮盘材料FGH4095和FGH4096两种[9]曰还研制了氧化物强化高温合金MGH4755曰还有其他的一大批单晶高温合金尧凝固柱晶合金尧低膨胀系数合金和耐热腐蚀合金。取得了一系列优秀的成果[10-11]。目前,我国已经建成了多个高温合金研制和生产基地[12],这些基地有着较先进的生产设备,并且初具生产规模。在这些基地中有变形高温合金生产厂,例如东北特殊钢集团抚顺特殊钢公司和宝钢股份公司特钢事业部等[13-14]曰还有锻件的热加工厂,例如西南铝业公司和第二重型机械集团万航模锻厂等;也形成了一批研究单位,这些单位研究水平高,研究设备齐全,主要有钢铁研究总:尧北京航空材料研究:和中国科学:金属研究所等,还有一些高校的实验室,也具有一定的研发能力,例如北京科技大学尧东北大学和西北工业大学等,在我国形成了多支专业技术队伍,其研发和生产相结合,技术水平较先进,自主创新能力也较强。现在,我国具备了对高温合金材料进行应用研究以及对该材料进行评估的能力,甚至也具备故障分析的能力,基本可自己独立解决航空尧航天等部门遇到的各种高温合金问题。

3高温合金的需求概况

最初,由于高温合金材料的制造工艺较复杂,甚至不能量产,故主要应用在在航空航天领域。随着技术的发展和产量的提高,其逐渐被应用到电力尧汽车和冶金等工业领域。随着科学技术不断的进步,新型高温合金材料层出不穷,市场对高温合金的需求将进一步扩大。目前,随着应用领域的扩大,国际市场上消耗的高温合金材料数量不断增多,年消耗量基本达到三十万吨。我国的高温合金材料每年产量约一万吨,但是需求量每年约两万吨以上,因此市场缺口很大。我国高温合金的生产与需求不匹配的原因主要有:第一,我国的生产能力不足,能够生产高温合金的企业数量较少,这就导致了生产能力远远达不到市场的需求的数量,个别的高温合金材料还需要进口,尤其是在燃气轮机和核电等领域。第二,现有材料难以满足高端产品的需求。我国的高温合金生产水平虽然有很大提高,但是与美尧俄等强国仍有很大差距,导致了现有的高温合金材料不足的现象。这就需要国内高温合金生产企业提高现有的研发能力[15],同时还要提高生产设备质量,使其具有生产先进高温合金材料的实力。我国的新型高温合金需求不断增加,主要的原因有:首先,大力发展了航空航天产业,在这一领域不断加强创新,不断研制性能更优的发动机,扩大了高温合金材料的市场,导致了对其需求的增加。其次,上海电气等一大批大型电力设备制造企业不断进行技术革新,其生产规模也不断地扩大,这就拉动了对发电设备的需求,特别是其中的关键零部件涡轮盘的需求增加。当前,正在进行研发的燃机组已经有了新的突破,在其实现量产后对高温合金的需求数量也会大幅增多。

4结语

(1)我国应进一步加大对高温合金研究的投入,有力保护高温合金的发展,引导科研工作者积极进行研究。(2)改善在各种温度下高温合金承受载荷的能力,进一步延长合金寿命,这是高温合金未来发展的趋势。(3)需要提高高温合金的耐高温性,提高其工作温度,尤其是提高表面耐高温性能,进一步扩大其适用范围。

参考文献:

[1]师昌绪,仲增墉.我国高温合金的发展与创新[J].金属学报,2010(5):1281-1288.

[2]张绍维.低膨胀高温合金的发展与应用[J].航空制造工程,1994(2):5-8.

[3]张庆春.新型涡轮盘及叶片材料-低偏析高温合金[J].航空发动机,1995(3):14-17.

[4]董建新.INCONEL718高温合金的发展[J].兵器材料科学与工程,1996(12):46-50.

[5]师昌绪,仲增墉.中国高温合金40年[J].金属学报,1997(8):1-8.

[6]郑运荣.我国低Cr高W系列铸造镍基高温合金的发展与应用[J].航空材料学报,2003(5):227-232.

[7]邓波,韩光炜,冯涤.低膨胀高温合金的发展及在航空航天业的应用[J].航空材料学报,2003(12):244-249.

[8]谢锡善.我国高温材料的应用与发展[J].机械工程材料,2004(3):2-8.

[9]郭建亭,周兰章,,超,等.我国独创和独具特色的几种高温合金的组织和性能[J].中国有色金属学报,2011(4):237-250.

[10]王会阳,安云岐,李承宇,等.镍基高温合金材料的研究进展[J].材料导报,2011(10):482-486.

[11]何国,李建国,毛协民,等.单晶高温合金的发展及其改善性能的途径[J].材料工程,1992(2):109-111.

[12]彭建强.700℃以上超超临界汽轮机高中压转子用材研究[J].大型铸锻件,2013(6):16-21.

[13]肖茂华,何宁,李亮,等.硬质合金-镍基高温合金摩擦磨损试验研究[J].热加工工艺,2013,42(7):82-84.

[14]申健,卢玉章,郑伟,等.DD26镍基单晶高温合金的高温持久性能各向异性[J].沈阳工业大学学报,2013(11):8-16

[15]牛卫杰,王国平,刘进伟.高温耐蚀镍基合金的焊接研究现状及展望[J].现代焊接,2013(1):8-12.

作者:王建国  任朋立 张周科 张楠 王周俭 张博 单位:海军驻兴平地区军事代表室 中国船舶重工集团公司 第十二研究所

热加工工艺杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次