超级合金是一种特殊材料，在恶劣条件下表现极佳。这些特殊合金比普通金属具有非凡的强度和更大的阻力。
在这篇博文中，我们将介绍什么是超级合金及其主要特性。我们还将了解超级合金的类型、制造工艺和工业应用。
什么是超级合金？
基本上，超级合金是一种先进的金属材料，设计用于在恶劣环境下可靠运行。它们可以承受高机械压力、500°C 以上的温度和腐蚀性条件。
由于其优异的热稳定性、强度和抗氧化性，它们被用于化学加工和航空航天等许多应用领域。
另见: 什么是铝合金
高温合金的成分
超级合金的基本元素是铁、镍和钴。它们还含有一些附加元素，如铝、铬和钛，这些元素是重要的合金成分。
镍基高温合金由 50% 至 70% 的镍和 5% 至 20% 的铬组成。这些材料中的铝含量高达 6%，可提供抗氧化性和更好的强度。此外，还添加钨、钼和钽以进行固溶强化以及形成碳化物，从而使合金即使在高温下也能保持稳定。
高温合金的类型
钴基高温合金
钴基高温合金因其出色的耐磨性和热稳定性而非常重要。其成分包括 50% 至 60% 的钴和一定量的钨和铬。这些合金形成稳定的氧化层，可防止腐蚀，并可承受 1300°C 以上的温度。
由于这些合金具有抗热疲劳性能，因此非常适合低压涡轮导向叶片以及受温度波动影响的部件。
镍基高温合金
这些超级合金被广泛应用于许多行业，因为它们能够承受高温而不失去结构完整性。它们主要由镍以及一些附加元素组成，例如铬、钛和铝。
这些合金特别用于燃气轮机和喷气发动机，因为即使在 1000°C 以上的温度下它们的强度和耐腐蚀性仍然完好无损。
铁基高温合金
铁基高温合金为中等温度要求的应用提供了经济有效的解决方案。这些合金主要用于承受长期应力的航空发动机部件和飞机轴承。它们在 750°C 以下的温度下具有出色的机械性能，尽管它们的高温性能不如镍基或钴基高温合金。
高熵合金 (HEA)
高熵合金代表了高温合金技术的最新进展。它们含有等量的五种以上元素。它们具有出色的抗氧化性、热稳定性和高温抗蠕变性等特性。
由于这些特性，它们被用作航空航天工业以及燃气轮机中镍基高温合金的替代品。
钛基高温合金
钛基高温合金由钛与钼、铝等元素结合而成，用于制造坚固、轻质的材料。
由于其出色的耐腐蚀性和高强度重量比，它们在航空航天应用（尤其是起落架）中非常重要。此外，由于其生物相容性，这些合金还用于医疗行业的植入物。
高温合金的主要性能
抗氧化性
高温合金通过形成特殊的保护性氧化皮（如 Cr2O3 和 Al2O3）来抵抗氧化。这些氧化皮形成保护屏障，可抑制进一步氧化。这就是为什么它们即使在高温下也能保持结构完整性的原因。
高温强度
高温合金即使在 500°C 以上的温度下仍能保持其机械强度。 沉淀硬化 和 固溶强化 方法解释了镍形成稳定的伽马'相的这种能力。
防锈性
铬和钼的存在使超级合金具有高耐腐蚀性。铬在合金表面形成一层保护性的 Cr2O3 层。另一方面，钼可以改善钝化。由于这些元素的存在，超级合金可以免受恶劣化学环境的影响。
耐热疲劳性
高温合金独特的微观结构具有稳定的晶粒边界和连贯的沉淀物。这些特性可防止在循环热应力期间形成裂纹。这就是为什么这些材料非常适合用于经受反复冷却和加热的部件。
抗氧化性
超级合金提供了非常非凡的 抗蠕变性 由于金属基体中存在细小分布的沉淀物和连贯粒子。由于这种特性，这些合金在高温高压下可以长时间保持其结构完整性。
固溶体和沉淀硬化
高温合金的超强强度源于两种机制。第一种是固溶强化，即合金元素溶解到基体金属中。另一种是沉淀硬化，即形成细小的颗粒。这些颗粒阻碍了位错的运动，从而大大提高了合金的强度。
5 高温合金制造工艺
1. 铸造技术
制造高温合金最常用的方法是铸造。主导该行业的三种主要技术是熔模铸造、定向凝固和单晶铸造。
熔模铸造使用在真空条件下制作的陶瓷模具来减少杂质。
定向凝固采用缓慢的冷却速度来控制晶粒生长，从而提高抗蠕变性。
单晶铸造进一步完善了定向凝固工艺，晶粒边界被完全去除。该工艺提高了抗热疲劳和抗蠕变性能。
2.增材制造
增材制造允许您直接从 CAD 模型构建复杂的形状。
选择性激光熔化是一种增材制造技术，其中高能激光逐层熔化金属粉末。此过程可能会在最终产品中产生一些孔洞，但可以通过使用热处理或 HIP 等后处理方法减少这些孔洞。
AM 有助于制作无法使用传统制造方法制作的空心设计和晶格结构。
参见: 增材制造与减材制造
3. 粉末冶金
制造超合金的另一种重要方法是粉末冶金。该工艺从雾化开始，将熔融的金属分解成细粉末颗粒。然后，制造商通过挤压或热等静压将这些粉末结合在一起。这种方法可以生产出更均匀的合金，晶粒尺寸更小。制造商大多使用此方法来生产头巾盘。
4. 热处理工艺
热处理工艺在提高高温合金性能方面发挥着重要作用。其主要工艺是固溶处理，即在高温下溶解沉淀物以形成均匀的微观结构。然后通过受控的时效和冷却过程利用沉淀硬化产生强化颗粒。
为了防止氧化，制造商采用真空热处理工艺。此外 热等静压 也用于消除内部孔隙。这些方法可提高高温合金的热稳定性、强度和抗蠕变性。
5. 热机械加工
热机械加工结合了热处理和变形来改善高温合金的微观结构。该过程需要多个阶段 锻造、压缩和在特定温度下轧制。TMP 可产生具有更好机械性能的细晶粒结构。制造商主要将此方法应用于涡轮叶片中使用的镍基高温合金。
高温合金的工业应用
电力
发电厂在热交换器、蒸汽和燃气轮机以及锅炉部件中使用高温合金。在这些部件中 Inconel 718 和其他镍基合金因其耐机械疲劳和高温腐蚀而特别被使用。
此外，高温合金还用于可再生能源系统，如工作温度高达 500°C 的聚光太阳能接收器和风力涡轮机。
航空航天
高温合金在航空航天工业中非常重要。这些材料用于制造燃烧室、排气和涡轮叶片等重要部件。这些部件即使在 1000°C 以上的温度下也能保持其耐用性。
海洋应用
高温合金非常适合海洋应用，因为它们能抵抗海水污染和腐蚀。工程师将它们用于海底系统，以产生波浪和潮汐能。这些材料特别用于保护那些经受极端海洋条件的船舶部件。
化学加工
化工厂需要超级合金来制造管道、反应器以及热交换器，因为这些部件暴露在高压和腐蚀性化学物质中。这些合金因其抗缝隙腐蚀和点蚀性能而可用于在恶劣的化学环境中长期运行。
汽车行业
在汽车行业中，超级合金用于排气系统、涡轮增压器叶轮和高性能发动机部件。这些材料即使在高温高压下也能保持其性能，从而提高发动机效率。此外，超级合金还用作底盘部件等结构部件的轻量化解决方案。
考量和挑战
尽管高温合金在极端条件下表现良好，但制造商在应用和制造过程中仍面临很多挑战。
由于导热性差，高温合金经常会发生应力开裂。为了避免这一问题，工程师必须在设计中仔细规划热分布。
高温合金的低热扩散率和高硬度导致加工过程中出现许多障碍。由于热量集中在切削区，刀具会迅速损坏，表面光洁度不达标。为了解决这些问题，您必须使用先进的冷却方法和特殊的硬质合金刀具。
由于需要进行热处理和采用复杂的铸造方法，高温合金的生产成本大大增加。然而，增材制造和粉末冶金等先进生产技术对减少这些困难大有裨益。
总结一下
简而言之，高温合金因其耐高温、耐腐蚀和热稳定性等非凡性能，在现代工业中不可或缺。这些材料对于航空航天、能源和汽车行业仍然很重要，尽管它们在制造方面存在挑战。
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相关问题
高温合金如何承受高应力环境和极端温度？
高温合金使用三种主要方法来保持其在高温下的强度，包括沉淀硬化、固溶强化和耐火元素。
普通合金和超级合金有何不同？
主要区别在于普通合金不具备超级合金所具有的先进性能，如非凡的耐腐蚀性、高温强度和出色的热稳定性。
超级合金如何提高航空航天部件和喷气发动机的性能？
超级合金通过三种方式提高发动机效率：最大限度地降低燃料消耗、承受高温并提高推重比。
涡轮发动机中使用镍基高温合金的原因是什么？
镍基高温合金具有热稳定性、高强度和耐腐蚀等特性，非常适合涡轮发动机应用。
钴在钴基高温合金的性能中起着什么作用？
钴具有三大优点：耐腐蚀性更强、热稳定性更好、抗蠕变性更高。由于这些特性，这些合金在强机械应力和高温下表现出可靠的性能。