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1、第第2 2章章 高温金属结构材料高温金属结构材料主讲人：章继峰主讲人：章继峰办公室：办公室：11#2027 11#2027 电话：电话：0451-82519956 0451-82519956 手机：手机：1319953216313199532163所在单位：智能结构与先进复合材料实验室所在单位：智能结构与先进复合材料实验室实验室主页：实验室主页：教师主页：教师主页：http:/ 高温合金的发展过程高温合金的发展过程2一、高温金属材料的概念一、高温金属材料的概念v在高温下合金能具有在高温下合金能具有较高的强度较高的强度，良好的良好的疲劳性能疲劳性能、断裂韧度断裂韧度，以及，以及强的抗氧化强的抗氧
2、化和和抗热腐蚀抗热腐蚀性能，并保持性能，并保持良好的组织稳定性良好的组织稳定性和和可靠的使用性能可靠的使用性能等综合性能。等综合性能。耐耐高高温温金金属属材材料料耐热钢耐热钢低合金耐热钢低合金耐热钢铁素体系耐热钢铁素体系耐热钢奥氏体系耐热钢奥氏体系耐热钢500 700 高温合金高温合金铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金钴基高温合金钴基高温合金镍基高温合金镍基高温合金弥散强化合金弥散强化合金狭义高狭义高温合金温合金700 1200定向凝固高温合金定向凝固高温合金钼基、铬基、钨基高温合金钼基、铬基、钨基高温合金3二、高温金属的两个概念二、高温金属的两个概念v高温蠕变高温蠕变指温度高于指温
3、度高于0.50.5T T熔点下，材料承受远低于屈服强熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线见图所示，根据变形速率随时间的现象。典型的蠕变曲线见图所示，根据变形速率随时间的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。图图 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线 第一阶段第一阶段，即蠕变的减速阶段。随，即蠕变的减速阶段。随时间的增加，形变量增加，变形速率降时间的增加，形变量增加，变形速率降低，见右图的低，见右图的AB段。段。第二阶段第二阶段，即恒定蠕变阶段。此时，即恒定蠕变阶段。
4、此时蠕变变形速率随加载时间的延长而保持蠕变变形速率随加载时间的延长而保持不变，如不变，如BC段。段。第三阶段第三阶段，蠕变的加速阶段。蠕变，蠕变的加速阶段。蠕变形变速率显著增加，当达图中形变速率显著增加，当达图中D点时，点时，材料断裂，温度越高，承受力越大，蠕材料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变断裂时间越短。变断裂时间越短。4二、高温金属的两个概念二、高温金属的两个概念v为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标v蠕变极限一般有两种表示方法：在给定温度在给定温度T T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，符
5、号下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，符号 表示（其中表示（其中 为第为第IIII阶段蠕变速度，阶段蠕变速度，%/h%/h）。）。例如：例如：表示在表示在600600的条件下，蠕变速度为的条件下，蠕变速度为1 1 10-10-5%/h5%/h的蠕变极限为的蠕变极限为600MPa600MPa。在给定温度在给定温度T T和在规定的试验时间（和在规定的试验时间（，小时），小时）内，使试样产生内，使试样产生一定蠕变变形量（一定蠕变变形量（，%）的应力值，以符号）的应力值，以符号 表示。表示。例如：例如：表示在表示在600600的条件下，的条件下，1010万小时后伸长率万小时后伸长率为为1%1%的蠕变极
6、限为的蠕变极限为100MPa100MPa。5二、高温金属的两个概念二、高温金属的两个概念v对于高温材料除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。v材料的持久强度，是在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间（t）发生断裂的应力值，以 （MPa）表示。如：某材料在如：某材料在700700承受承受30MPa30MPa的应力作用，经的应力作用，经1000h1000h后断裂，则称后断裂，则称这种材料在这种材料在700700、1000h1000h的持久强度为的持久强度为30MPa30MPa，写成，写成 =30MPa=30MPa。6高温金属蠕变机制高温金属蠕变机制v位错滑
7、移蠕变塑性变形塑性变形位错滑移位错滑移塞积、塞积、强化、更大切应力下才能重强化、更大切应力下才能重新运动新运动变形速度减小；变形速度减小；在高温下，靠热激活和空位在高温下，靠热激活和空位扩散来进行扩散来进行刃位错发生攀刃位错发生攀移移位错在新的滑移面上运位错在新的滑移面上运动动位错源再次开动、使蠕位错源再次开动、使蠕变得以不断发展（动态回复变得以不断发展（动态回复过程）过程）蠕变速度增大。蠕变速度增大。第第I I阶段，材料因变形而强阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。化，阻力增大，速率减小。第第IIII阶段，材料强化与动态阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变回复共存，达到平衡，
8、蠕变速率维持不变。速率维持不变。7高温金属蠕变机制高温金属蠕变机制v扩散蠕变发生在发生在T T/T Tm 0.5m 0.5的情况下，的情况下，是大量原子和空位的定向移是大量原子和空位的定向移动的结果。动的结果。无外力作用下，原子和空位无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑的移动无方向性，材料无塑性变形。性变形。有外力作用时，拉应力下的有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小，因用下的晶界空位浓度小，因此空位由拉应力此空位由拉应力 晶界向压晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产应力晶界迁移，致使晶体产生伸长的蠕变。生伸长的蠕变。扩散途径：（
9、扩散途径：（1 1）空位沿晶）空位沿晶内流动，内流动，Nabarro-herringNabarro-herring机制；（机制；（2 2）沿晶界流动，）沿晶界流动，CobleCoble机制。机制。扩散蠕变机理8高温金属蠕变机制高温金属蠕变机制v晶界滑动蠕变高温下（高温下（T/Tm 0.5T/Tm 0.5），晶界上的原子易扩散，），晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变；受力后发生滑动，促进蠕变；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘
10、滞性流动，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动，发生蠕变。发生蠕变。晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和形量的一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进行的。迁移来进行的。9高温金属蠕变对策高温金属蠕变对策v要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；v要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。v具体方法：（一）合金化学成分的影响（一）合金化学成分的影响耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活
11、能大或层错能低的金属及合金。层错能低的金属及合金。熔点愈高的金属熔点愈高的金属(Cr(Cr、W W、MoMo、Nb)Nb)，自扩散愈慢；，自扩散愈慢；层错能降低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移；层错能降低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；能增加晶界扩散激活能的添加元素能增加晶界扩散激活能的添加元素(如硼及稀土如硼及稀土)，则既能阻碍则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能。晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能。面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。10高温金属蠕变
12、对策高温金属蠕变对策（二）冶炼工艺的影响降低夹杂物和冶金缺陷的含量；通过定向凝固工艺，减少横向晶界，提高持久强度，因为在横向晶界上容易产生裂纹。（三）热处理工艺的影响珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。回火温度应高于使用温度100150以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效，使之得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态。采用形变热处理改变晶界形状(形成锯齿状)，并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。（四）晶粒度的影响晶粒大小：当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，粗晶 粒钢及合金有较高的蠕变抗力与持久
13、强度。但是晶 粒太大会使持久塑性和冲击韧性降低。晶粒度不均匀：在大小晶粒交界处出现应力集中，裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。11三、航空航天高温金属部件工作特点与要求三、航空航天高温金属部件工作特点与要求v高温结构部件的使用特点12三、航空航天高温金属部件工作特点与要求三、航空航天高温金属部件工作特点与要求v美国国防部要求新一代航空发动机保证超音速巡航和超低空突防，v还具备：推重比增加推重比增加20%20%零件数目减少零件数目减少40-60%40-60%零件寿命增加零件寿命增加150%150%寿命循环成本至少降低寿命循环成本至少降低25%25%耐久性增加耐久性增加2 2倍倍vF119就是在
14、这种背景条件下研制成功的第一台全新设计的西方第四代航空涡扇发动机。13三、航空航天高温金属部件工作特点与要求三、航空航天高温金属部件工作特点与要求v燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能：高的高的抗氧化抗氧化能力（即高的热稳定性）能力（即高的热稳定性）足够的足够的热强性热强性（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力）裂的能力）满意的塑性和满意的塑性和韧性韧性；更高的更高的热疲劳热疲劳性（即对能引起热应力的热交换的敏感性（即对能引起热应力的热交换的敏感性要低）性要低）足够高的低循环疲劳强度足够高的低循环疲劳强度良好的良好的耐蚀能力耐蚀能力（保持叶片的空气动力性能）（
15、保持叶片的空气动力性能）高的导热性和低的高的导热性和低的热膨胀系数热膨胀系数良好的良好的工艺性能工艺性能（即良好的焊接性能，锻造性能及铸（即良好的焊接性能，锻造性能及铸造性能等）造性能等）14三、航空航天高温金属部件工作特点与要求三、航空航天高温金属部件工作特点与要求项目项目现役机种现役机种在研机种在研机种预研机种预研机种整机整机推重比推重比7-89-1015-20代表型号代表型号F100,F110,F404，RB199，AL-31F，RD-33F119，EJ200，M88，R-2000压气机压气机评价级压比评价级压比1.321.441.85绝热效率绝热效率整体转子整体转子整体叶盘整体叶盘无盘
16、转子无盘转子关键材料关键材料钛合金钛合金钛铝合金钛铝合金金属基复合材料金属基复合材料燃烧室燃烧室温度温度/8001050-11501250-1350典型结构典型结构短环形短环形浮壁瓦片式浮壁瓦片式多头部多头部关键材料关键材料镍基合金镍基合金镍基铸造合金镍基铸造合金1100 +陶瓷涂层陶瓷涂层陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料1538+多空层板多空层板高压涡高压涡轮轮进气温度进气温度/K16001850-19502250-2350绝热率绝热率0.860.89-0.900.92冷却冷却复合冷却复合冷却高效冷却高效冷却气模冷却气模冷却关键材料关键材料单项凝固单晶叶片单项凝固单晶叶片1100摄氏度摄氏度镍铝
17、合金间化合物镍铝合金间化合物1200多孔层板，镍铝合金基复多孔层板，镍铝合金基复合材料合材料15三、航空航天发动机材料设计三、航空航天发动机材料设计v什么是材料的设计？v过去的发动机研制是认为材料是完全无缺陷的-实际上合金在冷热加工中会产生缺陷导致构件的承载力降低v目前对发动机在热力耦合作用下耦合响应还缺乏深入了解，导致缺乏精确设计工具v应该根据使用的特点和可能存在的缺陷情况来确定表征材料及其相应工艺的特征及数据，特别是裂纹萌生与扩展的特征和断裂塑性16三、航空航天发动机材料设计三、航空航天发动机材料设计v60年代末，发动机部件的强度设计经历了由强度估算到损伤容限设计的发展阶段。v对发动机结构
18、的设计理念随着发生变革从突出强调从突出强调发动机性能发动机性能到可靠性、耐久性、工到可靠性、耐久性、工艺性及艺性及性能综合平衡性能综合平衡；从单纯从单纯追求减重追求减重到保证可靠性、耐久性、维修到保证可靠性、耐久性、维修性基础上的重量优化性基础上的重量优化强调将先进的结构概念和材料概念统一于先进强调将先进的结构概念和材料概念统一于先进发动机整体，使发动机整体，使材料材料/工艺工艺/设计设计/结构一体化结构一体化17三、先进高温结构材料的选择三、先进高温结构材料的选择18三、先进高温结构材料的比较三、先进高温结构材料的比较v航空航天发动机的候选材料19三、先进高温结构材料的比较三、先进高温结构材
19、料的比较v航空航天发动机的候选材料比较比强度比较强度/韧性比较20三、先进高温结构材料的设计原则三、先进高温结构材料的设计原则v高温及应力作用下，材料的组织结构不断发生变化，主要是因为高温合金中发生的显微结构的不稳定性，包括：金属间相的析出金属间相的析出相的分解相的分解相的聚集和粗化相的聚集和粗化相的溶入和再析出相的溶入和再析出有序无序转变有序无序转变材料氧化材料氧化应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹21四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v高温钛合金高温钛合金，包括近钛合金、钛合金、近钛合金优点：比强度高、耐高温、耐腐蚀：比强度高、耐高温、耐腐蚀v铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金，铁基
20、高温合金由奥氏体不锈钢铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在发展而来，在18-818-8型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在使其在500700500700温度下的持久强度提高。温度下的持久强度提高。优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，仅可使用于800，v镍基高温合金，镍基高温合金，以镍为基体，以镍为基体，w w NiNi 50%50%，可在，可在70010007001000温度范围内使用。温度范围内使用。优
21、点：镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。22四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v钴基高温合金钴基高温合金w w CoCo在在40406060的奥氏体高温合的奥氏体高温合金，工作温度可达金，工作温度可达73011007301100。优点：当温度高于980时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐蚀性都很佳，适合于航空发动机，工业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机的喷嘴等。缺点：一般钴基高温合金含w Ni=10%-22%和 w Cr=20%30%，以及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量
22、较高，是以碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如镍基高温合金。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。23四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v金属间化合物-以TiAl为例密度小、强度高、塑性好，有优异的高温蠕变密度小、强度高、塑性好，有优异的高温蠕变性能性能金属间化合物全层片组织特征：金属间化合物全层片组织特征：层片的平均粒晶尺寸为层片的平均粒晶尺寸为5050350um350um；2 2/层片的平均体积分数为层片的平均体积分数为5 52525；中的中的2 2相分布应该均匀；相分布应该均匀；
23、层片状的层片厚度应小于层片状的层片厚度应小于1um1um，应控制最小值以保证，应控制最小值以保证该结构在高温长期工作时的稳定性；该结构在高温长期工作时的稳定性；晶界应呈不规范形状且处于稳定的低能状态；晶界应呈不规范形状且处于稳定的低能状态；层片状晶粒内不含细小的层片状晶粒内不含细小的等轴晶粒。等轴晶粒。24四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v难熔金属合金-钼及合金性能特点：良好的导热、导电性和低的膨胀系性能特点：良好的导热、导电性和低的膨胀系数，高的高温（数，高的高温（1100110016501650）比强度，与钨）比强度，与钨相比易加工。相比易加工。强化途径：强化途径：加工硬化加工硬化
24、固溶强化：固溶强化：W W、ReRe沉淀强化：沉淀强化：HfHf，ZrZr，TiTi目前，性能最好、应用最为广泛的钼合金为目前，性能最好、应用最为广泛的钼合金为MoMoTiTiZrZr系系25四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v难熔金属合金-钽合金钽的脆韧转变温度低钽的脆韧转变温度低钽合金高温强度高，易变形加工，有良好的焊钽合金高温强度高，易变形加工，有良好的焊接性。接性。强化方式：固溶、沉淀强化方式：固溶、沉淀工业用典型：工业用典型：TaTaW W系系制备方法：真空自耗电弧和电子束熔炼塑性制备方法：真空自耗电弧和电子束熔炼塑性变形加工变形加工26四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料
25、v难熔金属合金-铌铌合金在钨、钼、钽和铌中，铌的密度最小，熔点最低，在11001250具有最高的比强度及较低的脆韧转变温度，较好的焊接性能和耐蚀性能，高温下与氧反应。典型的铌合金有：Nb-Zr，Nb-Hf等制备工艺：电子束和真空电弧熔炼，采用挤压、轧制等加工方法加工，采用粉末冶金工艺科制成高强度铌合金27四、常用高温金属材料四、常用高温金属材料v难熔金属合金-钨合金6060年代中期，喷口材料开始用年代中期，喷口材料开始用W WAgAg合金代替合金代替W W。8080年代，研制出年代，研制出W WCuCu合金合金粉末冶金法制造（粉末冶金法制造（W W、AgAg、CuCu熔点分别为熔点分别为341
26、03410、960.8960.8、10831083，不发生合金化作用）。，不发生合金化作用）。元素粉末混合烧结法和熔渗法。元素粉末混合烧结法和熔渗法。熔渗法：钨粉压制烧结（预烧）骨架熔熔渗法：钨粉压制烧结（预烧）骨架熔渗渗CuCu或或AgAg28五、高温合金的应用五、高温合金的应用v航空发动机航空发动机 1)燃烧室。部分压缩空气与燃料混合，在燃烧室燃烧，所产生的燃气温度在15002000之间。其余的压缩空气在燃烧室周围流动，穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达800900以上，局部可达1100。冷却空气与燃烧的气体混合，使燃气温度降到1370以下。可见，燃烧室壁除受高温外，
27、还承受由于内外壁温度不同引起的热应力作用。特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷却，热应力可达很大值，冷却孔更易破坏、燃烧室常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。2)导向叶片。导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100，但叶片承受的应力比较低，一般在70MPa以下。对材料要求是：高温强度好，热疲劳抗力佳，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。29五、高温合金的应用五、高温合金的应用 3)动叶片。动叶片是涡较发动机中工作条件最恶劣的部件。先进航空发动机的燃气进口温度已达1380，推力达226kN。涡轮叶片
28、承受气动力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为280560MPa，相应的叶身承受温度为650980，叶根部分约为760。因此，动叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度，可铸性及较低的密度。4)涡轮盘。航空发动机涡轮盘工作温度在760左右，轮缘部分可达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在300左右。轮盘正常运转时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。停车、起动反复进行，形成周期疲劳。30五、高温合金的应用五、高温合金的应用v火箭发动机火箭
29、发动机 下图是液体燃料火箭发动机示意图。透平泵机组的气体发生器处于约1050的温度下，由喷嘴中喷出的气体的速度约为2500m/s。气体靠近嘴壁处的温度约为1350。对没有特殊防护的一般金属只能做短时忍耐。图图 液体燃料火箭发动机示意图液体燃料火箭发动机示意图1-喷嘴喷嘴 2-燃烧室燃烧室 3-混合带混合带 4-喷射器喷射器 5-主气门主气门 6-气体发生气体发生器器 7-涡轮机涡轮机 8-透平泵透平泵 9-氧化氧化剂剂 10-压缩气压缩气 11-燃料燃料 12-涂料涂料 13，14-金属金属 15-冷却剂冷却剂 16-气气体体(约约2500m/s)31五、高温合金的应用五、高温合金的应用燃料箱
30、、泵传送器所用材料，特别需要化学稳定性。液态氟以及作为氧化剂的发烟硝酸和四氧化氮，具有特别强烈的侵蚀性，除了在1000以上的工作温度下出于腐蚀而引起的问题之外，流过的气态燃烧产物也产生冲蚀性。火箭启动时，在12s内，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度过载，会对材料施加非常巨大的机械负荷，尽管元件所受应力是短时的，但由于其载荷的大小和方向急剧地发生变化，往往会引起疲劳断裂。火箭本身重量必须尽可能的小，因此，金属材料的比强度在火箭制造中具有特别重要的意义。弹道火箭进入大气层时，热流量为1000025000kcal/(m2s)，它在短时间内，引起巨大的温度梯度，长时间作用
31、则会建立起平衡温度。对金属材料的耐热性有特殊的要求。32五、高温合金的应用五、高温合金的应用v燃气轮机燃气轮机航空发动机的燃气轮机材料要求在较高温度下，具有较高的持久强度和塑性变形等特点，而使用期限较短；固定式燃气轮机材料要求在较低温度下使用期限很长。固定式燃气轮机装置的使用时间取决于它的用途和功率大小。大功率发电用的固定式装置由于制造费用大，使用时间至少考虑为100000h；商船和热力机车上的燃气轮机装置使用时间考虑在100000h之内；军用舰艇上的燃气轮机装置使用时间考虑10000-50000h。燃气轮机的燃烧室、导向叶片、工作叶片、涡轮盘和转子的要求与航空发动机相似。涡轮盘和气缸法兰盘的
32、紧固螺栓，其工作温度与涡轮盘及气缸相同。燃气轮机中的螺栓，有时必须在高达600-750的温度下工作。对紧固螺栓材料的主要要求是高温时应具有高的屈服强度和抗松弛性能。为了使连接的零件可以自由膨胀和减少温差应力，螺栓和连接零件的材料应具有相同的热膨胀性能。33五、高温合金的应用五、高温合金的应用537合金是在800850工作温度下长期使用的镍基铸造耐热腐蚀合金，可用于地面燃气轮机和舰用燃气轮机上涡轮叶片的制作。合金800的抗拉强度可达800MPa以上；在815、430MPa下的持久寿命大于100h；800、220MPa下的持久寿命大于20000h；抗热腐蚀性能相当于国外的 IN-738合金，但不含
33、价格昂贵的稀有金属钽，成本低。543合金具有良好的高温组织稳定性。在800、经 8000h 时效后没有发现有害相。543 合金可用作在700750环境下长期使用的燃气轮机动叶片材料。GH333系镍基高温耐蚀合金，工作温度可达900，用于制造燃气轮机火焰筒、过渡段等燃烧部件。34六、高温合金的未来六、高温合金的未来v难熔金属合金难熔金属合金目前使用的高温合金，其使用温度很难突破合金熔点温度的80%，近似 1100。难熔金属的熔点大大超过高温合金，约 2000。由这些金属组成的合金，可获得比高温合金更高的高温强度。合金名称合金名称抗拉强度抗拉强度/MPa11001320 1540 1760 高温合
34、金高温合金245350-铌合金铌合金350168119-钼合金钼合金630385252182钽合金钽合金560364210105钨合金钨合金700420280210铬合金铬合金315119-表表 一些难熔金属合金与高温合金强度一些难熔金属合金与高温合金强度35六、高温合金的未来六、高温合金的未来 难熔金属合金可以在更高的使用温度下工作。然而难熔金属合金在温度超过900时，就会失去抗氧化性能，这阻碍了它的实际应用，目前采用保护涂层方法来解决（常见的抗氧化涂层有：渗铝涂层、Pt、Au、ZrO等）；另外，铸造困难，多采用锻件，对铌基和钼基合金的一些简单铸件已获得成功。采用石墨、硼(硼硅)、钨、钼和氧
35、化铝、氧化硅晶须等作为纤维与镍钴高温合金组成复合材料制成的实心涡轮叶片，可使涡轮温度和转速提高。用二氧化钍和碳化铪钨丝增强复合材料，工作温度达1160-1200。利用氧化铝毡或单晶纤维增强高熔点钼、钨后，可使钨在 1650的强度提高二倍，可用作火箭的喷口材料。36六、高温合金的未来六、高温合金的未来v金属间化合物金属间化合物有序金属间化合物是一种新型金属基高温材料。一类长程有序结构的化合物，如Ni3AI、NiAI、Fe3AI、FeAI、(Fe、Co、N)3V、Ti3AI等具有优良的高温性能。在一定温度范围内(0.5-0.8T熔点)，其屈服强度随温度的升而增加，而且具有良好的抗高温氧化性能，弹性模量高，刚度大，密度低等良好的综合性能，是很有前途的新一代高温材料。下图示出金属间化合物的温度，该类材料的温度介于高温合金与陶瓷材料之间。图图 金属间化合物的温度金属间化合物的温度37六、高温合金的未来六、高温合金的未来v单晶单晶所谓单晶(monocrystal,monocrystalline,single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。特点：晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列单晶材料的制造38