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| 耐热钢和钛合金最新研究动向 |
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发布者：admin 发布时间：2018-3-28 11:49:38 阅读：6次 【字体：大 中 小】 |
1耐热钢、耐热合金
(1)概要
气候异常及由此损害健康的问题，致使在全球范围内推出削减CO2及其废弃物的环境规则。为此，针对汽车、飞机内燃机、发电设施及废弃物处理设施，开展了提高能源转换利用率，灵活应用新能源，蓬勃展开燃烧形态控制等技术的开发。耐热钢及其高温合金便是其开发的新功能材料。本文就耐热钢及高温合金的最新研究动向进行综合论述。
(2)汽车用耐热材料
发动机阀在汽缸内承受燃烧的高温气体，需要耐热钢或超高温合金。汽油发动机的吸气阀广泛采用SUH3和SUH11马氏体系耐热钢，而排气阀采用以SUH35为代表的奥氏体系耐热钢或高强度、超高温Ni基合金。由于使用超级合金，轴径较细，达到高温时，相对较轻、且可避免表面凸缘硬化，但材料成本过高。因此，开发出比JIS标准中NCF751（70Ni）更低Ni含量的NCF3015(Fe-32Ni-16Cr-2.7Ti-1.1Al-0.8Nb)，并达到实用化。同时，还开发出可冷锻成型的NCF2415C(Fe-24Ni-15Cr-2.2Ti-1.5Al-0.5Nb)阀用钢，其在两轮车排气阀上实用化。近来，由于燃料费用提高，迫切需要通过高温化的燃烧，提高发动机旋转区的理论空燃比，为此以NCF440（70Ni）为基础，开发出汽车发动机用低Ni化NCF5015(Fe-50Ni-15Cr-1Mo-1.5W-2.4Ti-1.4Al-1.3Nb)钢。
利用废气带动涡轮旋转驱动压缩机，涡轮增压器可将更多压缩空气送到汽缸内，即使排气量相同的发动机能输出更高的功率。为降低CO2排放量，需减少排放废气的发动机尺寸，并增强涡轮增压器的适用性。以往，涡轮采用非耐热性材料，因此，与理论空燃比相比，需要更多地雾化燃料，而且排气温度低，导致大幅增加涡轮燃费。最近，开发出的高耐热性材料使得涡轮可实现理论空燃比燃烧，从而降低了燃费。
涡轮高速旋转，引发离心力的作用，这就要求极好的高温蠕变强度与耐氧化性。以往采用Ni基Incone1713C铸造合金或价格相对低廉GMR235精密铸造件。鉴于高温所需，部分开始采用Mar-M2（47Ni-0.15C-8Cr-10Co-10W-0.7Mo-5.5Al-1Ti-1.5Hf-0.015B）高强、超耐热合金。
气缸盖及涡轮增压等部件高温法兰结合面的密封，采用金属密封垫圈。这种密封垫圈在400℃以上高温环境使用，需要长时间高温下密封性能不恶化，这就要求采用高硬度、抗高温软化性的优异材料。DSN9高N元素不锈钢，经冷加工与时效处理后得到高硬度，在600℃高温下，400h，其耐热性、回弹能力与硬度几乎不变。由此可知，DSN9钢带可制成高温用金属密封垫圈加以使用。
发电用耐热材料
为提高发电效率，采用24MPa蒸汽、566℃临界点以上的超高临界蒸汽压力（USC）蒸汽发电。目前，600℃级煤炭火力发电设备已达到实用化。为继续提高发电效率，最近在日本、欧美旨在积极推行700℃以上蒸汽温度，更高效煤炭火力发电设备项目计划，而着手开发相应的高温材料。涡轮叶片、套管螺栓用铁素体系耐热钢在700℃以上的蠕变强度低，达不到容许值，因此须使用Ni基超级高温合金。鉴于奥氏体系耐热钢热膨胀系数比铁素体系大，在很大程度上受到设计制约。为此，开发了LTES700(Ni-12Cr-18Mo-0.9Al-1.1Ti)高温高强度、低热膨胀系数的Ni基超高温合金，制成螺栓在现场实机环境进行评估。另外，考虑到叶轮大型化，开发出TES700R(Ni-12Cr-6Mo-7W-1.6Al-0.7Ti)改良型超级高温合金，制成圆盘进行性能评估。
(4)飞机用材料
涡轮风扇发动机既能提高涡轮前温度，又不增加排气速度，同时提高喷气发动机的热效率和推进效率。涡轮风扇发动机在涡轮喷气发动机的基础上增加了多级涡轮，并经由这些涡轮带动一排或几排风扇，风扇后面的气流分成两部分，一部分进入内涵道压气机，另一部分则未经燃烧，直接排到外涵道空气中。由于涡轮风扇发动机部分燃气能量用于带动前端风扇，因此降低了排气速度，提高了推进效率；为提高热效率，可提高涡轮前温度，之后可通过调整涡轮结构参数和增大风扇直径，使更多燃气能量经风扇传递到外涵道，毋须增加排气速度。对于涡轮风扇发动机来讲，热效率与推进效率并不相矛盾，只要结构和材料允许，提高涡轮前温度十分有利。根据结构参数，航空用涡轮风扇发动机分为两类，即不加力式涡轮风扇发动机用于高亚音速运输机，加力式涡轮风扇发动机用于歼击机。
(5)废弃物处理用材料
垃圾焚化炉等废弃物处理设施，高温处理废弃物时，产生腐蚀性极强的气体及焚化为低熔点腐蚀灰分。垃圾焚化炉金属材料需要采用高耐蚀SUS310或NCF625不锈钢或Ni基合金。
为有效利用垃圾能源，作为抑制二恶英等有害物质垃圾处理设备的气化焚化炉近来受到人们关注。当熔融温度超过1000℃，即使采用MO-RE2超级高温耐热铸钢，其强度与耐蚀性仍显不足，尚需寻求性能更优异的高耐蚀高强度合金。为此，开发出极端严峻环境下使用的Ni基TN105（Ni-0.3C-27Cr-10W-2Al-2Si）铸造合金，其可在气化熔融炉高温气体加热器管材中使用。
2Ti合金
（1）概要
按用途，钛合金分为耐热合金、高强合金、钛-钼与钛-钯合金等耐蚀合金、低温合金及钛-铁贮氢材料与钛-镍记忆合金等特殊功能合金。
1）比强度高
钛合金密度约4.5g/cm3，仅为钢的60％，纯钛的强度接近于普通钢的强度，钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属材料。飞机发动机构件、骨架、紧固件及起落架等使用的钛合金可在450℃～500℃的温度下长期工作，150℃～500℃范围仍有很高的热比强度。
2)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
3)低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性
4)化学活性大
钛与大气中的O、N、H、CO、CO2、NH3和水蒸汽会产生强烈化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；增加H含量会形成脆化层，产生0.1mm～0.15mm深度硬脆表层，硬化程度20%～30％。钛的化学亲和性大，易与摩擦表面产生粘附现象。
5)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数15.24W/（m*K），约为镍的1/4，铁的1/5及铝的1/14。各种钛合金的导热系数比钛的导热系数低50％。钛合金弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量大，约为不锈钢的2～3倍，导致刀具后刀面剧烈摩擦、粘附及粘结磨损。
钛合金是一种新型结构材料，具有密度小，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性好，抗蚀性强的综合性能。钛合金主要用于制作飞机发动机的压气机部件，火箭、导弹和高速飞机结构件，电解工业电极、发电站冷凝器、石油精炼和海水淡化加热器及环境污染控制装置，贮氢材料和形状记忆合金等。
与钢铁材料相比，Ti合金比强度（强度/密度）高。因此，其在航空器材、生物医学材料方面的适用范围不断扩大。在此介绍新近开发的Ti合金。
(2)DAT54耐热Ti合金
DAT54(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-2.8Mo-0.7Nb-0.06C)是目前高温特性最好的耐热Ti合金，用于600℃高温环境飞机发动机圆盘或汽车电机阀等。
飞机发动机圆盘周边需经高频热处理，外部为高抗蠕变强度的针状组织，内部为高抗疲劳强度的等轴组织，为确保飞机圆盘发动机高性能，进行了实用化开发。章动圆盘接触面积比活塞式发动机小，扭矩曲线更加平坦，在360°旋转轴上能提供270°压缩。双圆盘系统发动机与8缸活塞发动机功率相当。
(3)生物体材料Ti合金
鉴于Ti合金具备生物体优异适应性，所以被广泛用作生物材料。主要生物体材料有Ti-6Al-4VELI和用铌取代对生物体细胞有毒性的钒的Ti-6Al-7Nb。近年，在采用添加生物体优异适用性的元素基础上，积极开发近似骨骼组织低弹性率的TNTZ（Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr），并作适用性研究。TNTZ作为生物体材料确保更高的适用性，但因加入高熔点的钽与铌元素，在熔解制造过程中容易出现偏析，为抑制形成偏析，尚需再度熔解。
(4)Ti合金VLTi
Ti-6Al-4V比强度高、耐蚀性好，所以在飞机、汽车部件、高尔夫帽体育领域广泛采用Ti合金。鉴于Ti-6Al-4V中含有4%稀有元素钒，日本大同特殊钢公司为更好稳定价格，用Fe置换V，开发出VLTi(Ti-6Al-Fe)合金。VLTi在确保强度的同时，具有比重低的特性。为提高设计自由度，希望采用低比重、高强度优质材料，VLTi是符合该期望值的合金，制成各种高尔夫帽。此外，VLTi作为Ti-6Al-4V的替代材料，用于汽车连杆或吸气阀等部件。
(5)TiAl合金
TiAl为金属间化合物，由于金属间化合物晶体中金属键与共价键共存,同时兼有金属韧性和陶瓷高温性能。与Fe基与Ni基耐热材料相比，TiAl合金具有重量轻，高温比强度高的优点，由此开发具备工业制造、抗高温氧化性的DAT-TA1(Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si)TiAl合金，适用于汽车涡轮。
TiAl化合物具有耐高温、抗氧化和密度低等特性,且其弹性模量、抗蠕变性能均优于钛合金。TiAl合金密度还不及镍基高温合金1/2，而性能与镍基高温合金相当,具有广泛使用前景。 |
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