超級馬氏體不銹鋼

顯組織

超級馬氏體不銹鋼典型的基體金屬顯組織為回火馬氏體。這種低碳回火馬氏體組織具有很高的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)含鎳量的不同、熱處理?xiàng)l件的差異，一些牌號的超級馬氏體不銹鋼基體顯組織中可能會出現(xiàn)10％～40％的細(xì)小彌散狀殘留奧氏體。對于含鉻16％等級的超級馬氏體不銹鋼，顯組織中可能出現(xiàn)少量的δ鐵素體。為了獲得理想的細(xì)晶粒回火馬氏體，在鋼板交貨之前一般都經(jīng)過淬火加回火處理。

機(jī)械性能

超級馬氏體不銹鋼不僅具有較好的耐腐蝕性、可焊接性，而且具有強(qiáng)度高和低溫韌性好的特點(diǎn)。典型的機(jī)械性如下：

延伸率大于12％

焊接性能

馬氏體不銹鋼含鉻13％，由于鐵素體晶粒在焊接過程中粗化和硬化，而使其可焊性很差。以往，這類不銹鋼的用途嚴(yán)格限制于非焊接零件的安裝。經(jīng)過冶煉工藝的不斷改進(jìn)，降低了馬氏體不銹鋼中的碳、氮、硫含量，又增加了一定量的鎳（ 含量達(dá)6.5％）和鉬（ 含量2.5％），從而開發(fā)出了超級馬氏體不銹鋼。這種材料在加工制造過程中又采取了特殊的工藝措施，使得新的超級馬氏體不銹鋼的焊接性能大大超過了傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼。

超級馬氏體不銹鋼的焊接可以采用人們熟悉的焊接工藝，諸如氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW或SMAW），氣體保護(hù)鎢電弧焊（GTAW）。埋弧焊（SAW）和勵磁線圈電弧焊（FAW）。對于環(huán)縫焊接可以使用GTSW、GMAW和SAW，直縫焊大多數(shù)使用SAW。但是，激光焊和電子束焊也非常有吸引力。激光焊對生產(chǎn)直縫焊管是一種經(jīng)濟(jì)的焊接方法。由于冷卻速度快，在焊縫中可以獲得全馬氏體顯組織，從而得到很好的韌性和滿意的耐蝕性。

耐蝕性能

超級馬氏體不銹鋼由于含碳量低，相當(dāng)于提高了基體金屬中含鉻量的比例，所以耐腐蝕性好。

對于弱酸性腐蝕環(huán)境，超馬氏體不銹鋼有取代其它耐蝕合金的趨勢。但是，在高溫和有二氧化碳存在的腐蝕條件下，會產(chǎn)生一般腐蝕和局部腐蝕，在二氧化碳和硫化氫同時存在的腐蝕條件下，必須考慮在室溫下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋和在高溫下產(chǎn)生的局部腐蝕和一般腐蝕。根據(jù)腐蝕條件的不同（如CO2或CO2＋H2S），開發(fā)了不同牌號的超馬氏體不銹鋼（含鉬或不含鉬）。這種超13Cr不銹鋼已成功地應(yīng)用于北海地區(qū)的Gullfaks油田和Asgard油田。

渦 是航空發(fā)動機(jī)上一個十分重要的關(guān)鍵零件。渦 工作溫度雖然比葉片低，但工作環(huán)境異常復(fù)雜，且在輪心、輪緣、榫齒、槽底和腹板等各部位所受應(yīng)力、溫度、介質(zhì)作用程度都不同。因此，對渦 材料性能提出如下典型要求：高的屈服強(qiáng)度；足夠的塑性儲備；足夠的蠕變、持久強(qiáng)度和塑性；高的疲勞強(qiáng)度和低周疲勞性能；良好的耐腐蝕性、組織穩(wěn)定性與可加工性。一句話，材料的綜合性能要好。
渦 用材料大部分是沉淀強(qiáng)化的鐵基或鎳基變形高溫合金，一些盤件開始采用粉末高溫合金制備，但是從制備工序、成本等角度考慮，粉末高溫合金渦 無法替代變形高溫合金渦 。 [1]

航空發(fā)動機(jī)用的機(jī)匣、轉(zhuǎn)子封嚴(yán)環(huán)和蜂窩環(huán)零件國內(nèi)外較多地采用低膨脹高溫合金制備。低膨脹合金是發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)間隙控制技術(shù)，減少燃?xì)鈸p失和提高熱效率不可替代的功能結(jié)構(gòu)材料。低膨脹高溫合金的特點(diǎn)是綜合性能好、強(qiáng)度較高、膨脹系數(shù)低、彈性模量幾乎恒定，在約380℃(居里點(diǎn))以下至室溫，合金熱膨脹系數(shù)幾乎為常量。因此，采用低膨脹高溫合金制備的壓氣機(jī)匣在飛機(jī)巡航飛行時，有利于間隙的封嚴(yán)，提高壓氣效率，加大推力。我國研制的低膨脹高溫合金主要有GH2907、GH2909、GH4783等。我國新研制的GH4783是一種抗氧化新型低膨脹高溫合金，膨脹系數(shù)比GH4169合金低20%，密度比GH4169低20%，只有7.789/cm3，工作溫度可達(dá)750℃。對應(yīng)的美國牌號的Inconel783合金已被用作F-22戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動機(jī)F119-PW的各種環(huán)形件。

我國應(yīng)用的板材變形合金主要有20多個牌號。它們的共同特點(diǎn)是塑性好，具有中等強(qiáng)度，焊接性能優(yōu)異，還有較好的抗氧化和抗腐蝕性能。主要用于制作發(fā)動機(jī)動力裝置的燃燒室、加力燃燒室、飛機(jī)機(jī)尾罩、導(dǎo)流罩、襯筒和軍用衛(wèi)星毛細(xì)管等。航空發(fā)動機(jī)燃燒室零件大多采用固溶強(qiáng)化合金制造。近期，發(fā)動機(jī)生產(chǎn)中為了減輕結(jié)構(gòu)重量，采用時效強(qiáng)化的板材合金來制造燃燒室零件，取得了良好效果。采用時效強(qiáng)化的變形高溫合金制造加力燃燒室殼體，可大幅度減輕發(fā)動機(jī)重量，但其成形和焊接比固溶強(qiáng)化合金要困難。
此外，在航空發(fā)動機(jī)中，變形高溫合金還用于制備渦輪軸、渦輪葉片等。隨著先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)推重比的進(jìn)一步提高，燃燒室入口溫度和出口溫度大幅提高，必須采用耐更高溫度的新合金材料。需求牽引。因此，變形高溫合金必須加大研究力度，進(jìn)一步提高性能，滿足我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制需要。 [1]
發(fā)展前景編輯
變形高溫合金不但是我國生產(chǎn)和研制新型航空發(fā)動機(jī)需要的重要材料，而且在艦船制造、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、航天飛行器、火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是一種十分重要的高溫材料。當(dāng)前，變形高溫合金總體上向承溫更高、精密成形和低成本方向發(fā)展。通過不斷挖掘合金潛力，采用新技術(shù)、新工藝，可大幅提高變形高溫合金材料的質(zhì)量和性能，滿足我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的需求。須加大研究力度，進(jìn)一步提高性能，滿足我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制需要。 [2]

1、GH4169高溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種復(fù)雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時，也是所有高溫合金中為注目的一種合金。它的相對使用溫度在所有普通合金系中也是的。目前，先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)中這種合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由國際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公開介紹的時效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強(qiáng)化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和良好的塑性，具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定，成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能，目前被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片、渦 、渦輪軸、機(jī)匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等 [3]  。
我國于70年代開始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤件，使用時間比較短，所以采用真空感應(yīng)加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，提高和改進(jìn)材料質(zhì)量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當(dāng)前GH4169合金的主要研究方向?yàn)椋?br /> （1）改進(jìn)冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序穩(wěn)定操作，使合金顯組織更加均勻，從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強(qiáng)度以及抗裂紋擴(kuò)展止裂能力，提高低周疲勞強(qiáng)度等；
（2）改進(jìn)熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的鋼錠中心的偏析，所以對組織的均勻性有不利影響，因此采用合理的均勻化退火工藝，得到細(xì)晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一；
（3）改進(jìn)使用設(shè)計。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)；
（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動機(jī)部件的長壽命要求，對于提高GH4169合金長期時效組織穩(wěn)定性方面也是至關(guān)重要的。
2、單晶高溫合金
目前單晶合金材料已發(fā)展到第四代，承溫能力到1140℃，已近金屬材料使用溫度極限。未來要進(jìn)一步滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的需求，葉片的研制材料要進(jìn)一步拓展，陶瓷基復(fù)合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。
單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，普通復(fù)雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長的時間。從單晶實(shí)心葉片到單晶空心葉片、到氣冷復(fù)雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復(fù)雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認(rèn)、模具設(shè)計到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時間。但單晶葉片由于其復(fù)雜的服役環(huán)境，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，一般一種普通結(jié)構(gòu)的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用需5～10年的時間，有的隨發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度，甚至需要15年或更長的時間 [4]  。