“錸與高溫合金系列”-高溫合金與錸元素的強化效應（錸效應）之底層邏輯關系
- 分類：應用技術
- 作者：錸因合金
- 來源：
- 發布時間：2023-03-07
- 訪問量：0
【概要描述】高溫合金與錸元素的強化效應（錸效應）之底層邏輯關系
“錸與高溫合金系列”-高溫合金與錸元素的強化效應（錸效應）之底層邏輯關系
【概要描述】高溫合金與錸元素的強化效應（錸效應）之底層邏輯關系
- 分類：應用技術
- 作者：錸因合金
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高溫合金分類及應用占比
鎳、鐵、鈷基三類高溫合金的合金強化特點
1、鎳為面心立方結構，沒有同素異構轉變；鐵、鈷僅在高溫下為面心立方奧氏體結構，因此，鐵基和鈷基合金中須加入擴大奧氏體相區的合金元素。
2、鎳化學穩定性較高，鈷和鐵抗氧化性低于鎳，但鈷抗熱腐蝕能力比鎳強；加鉻可顯著改善鎳基合金的抗氧性和鈷基合金的抗熱腐蝕性。
3、鎳的相穩定性最好，鎳或鎳鉻基體可固溶更多的合金元素而不生成有害的相；鐵的相穩定性最差，鐵或鐵鉻鎳基體只能固溶較少的合金元素，有強烈的析出各種有害相的傾向。
4、鐵的密度最小，但膨脹系數最大，導熱能力較好；鈷與鎳比較，其導熱性較好，膨脹系數較低，所以其熱疲勞性能較優。
綜合以上對比，不難發現：鎳是一種最佳的基體金屬，這使得鎳基高溫合金成為最佳表現的高溫合金系列。鈷基合金耐熱腐蝕及耐熱疲勞性能高，可以發揮其優勢，有較長的使用壽命，適用于高溫低應力下長期使用的靜態部件。鐵基合金的使用溫度范圍較鎳基和鈷基低。鎳基高溫合金應用最為廣泛，鐵基高溫合金和鈷基高溫合金也有一定的應用。
1）變形高溫合金
例如GH4169：時效沉淀強化型鎳基高溫合金，編號169。
2）鑄造高溫合金
“K＋3位阿拉伯數字”。“K”后第1位數字表示分類號，其含義與變形合金相同；
第二、三位數字——合金編號。例如K418:時效沉淀強化型鎳基鑄造高溫合金，編號18。
3）粉末冶金高溫合金
“FGH”+阿拉伯數字表示；焊接用的高溫合金絲：“HGH”后跟阿拉伯數字。
MGH——機械合金化粉末高溫合金
DK——定向凝固高溫合金
DD——單晶鑄造高溫合金
70年代以前，我國高溫合金牌號簡單，變形高溫合金只有3位數字編號,鑄造高溫合金只有2位數字編號，即省略了前綴后的表示基體類別和強化型類別的第一位數字，如“K17”，即現在的“K417”，“GH39”即為現在的“GH3039”。
高溫合金材料一般用于航空發動機耐高溫材料的制造，特別是噴氣發動機最后兩級壓氣機和最初兩級渦輪葉片、燃燒室、加力燃燒室、渦輪盤、渦輪葉片及緊固件的制造。目前市場需求主要都是軍用產品，由于其軍工價值所以也被視為戰略物資，買賣這種材料被視為與武器貿易相同等級來加以管制，而配方與制造方法、加工使用都是重要機密，各航空大國都在極其保密的條件下研制。
勞斯萊斯公司渦輪-聯合（Turbo-Union）RB199-34R Mk103渦輪扇發動機內的一塊鎳基高溫合金扇葉
單晶高溫合金是指合金以單個晶體為單位，合金化程度高于普通的高溫合金。晶界的消除從而不易產生裂紋源，彌補了傳統的鑄鍛高溫合金鑄錠偏析嚴重、熱加工性能差、成形困難等難點，因而其具有良好的持久壽命、低蠕變速率和良好的抗熱疲勞性能。
20世紀80年代以來，單晶高溫合金一直沿著其獨特的道路發展。隨著合金設計理論水平的提高和生產工藝的改進，相繼出現耐溫能力比第1代單晶合金分別大約高30℃和60℃的第2代單晶合金和第3代單晶合金；第1代單晶高溫合金的代表牌號有DD2, DD3, DD4, DD26, DD26C, DD402, DD8等，第2代單晶高溫合金的代表牌號有PWA1484 ,CMSX-4, DD6, DD398, DD5, DD99, MO9A, DD13等，第3代單晶高溫合金的代表牌號有CMSX-10, CMSX-11, ReneN6,TMS-75, TMS-82, DD9, DD10, DD32, DD33, DD90等。
CMSX-4是由 Cannon Muskegon Corporation 研發的一種超高強度單晶合金。這種第二代含錸的鎳基單晶合金具有更高的峰值溫度/應力，能夠在至少2125°F (1163°℃) 的環境下工作。CMSX-4合金已經大量投產。使用CMSX-4合金制造的葉片在其 15000 馬力 Mars 100 工業燃氣渦輪機上無故障使用壽命達到了 25000-30000 小時。在全球范圍內的廣泛應用以及工業燃氣渦輪機葉片中的應用經驗。
最后來說說高溫合金材料的強化，所有高溫合金都含有多種合金元素，有時多達幾十種，這些合金元素將產生一系列合金強化作用。
1、合金強化：加入的多種合金元素與基體元素(鎳、鐵或鈷)產生作用，從而產生強化效應，包括：① 固溶強化；② 第二相強化(沉淀析出強化和彌散相強化)；③ 晶界強化。
2、工藝強化：采用新工藝，或者改善冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理及表面處理等環節從而改善合金組織結構而強化。
3、高溫合金強化=合金強化+工藝強化
在高溫合金所有產生合金強化作用的元素中，有一個元素起到的關鍵作用讓人不得不提，那就是錸?？梢杂眠@樣一個比喻來形容錸在高溫合金中起到的“扛把子”角色：當錸加入高溫合金之前，它還只是一支小米加步槍式的由游兵散勇臨時組配的隊伍；當錸加入高溫合金之后，它就瞬間升變成一支擁有時空對抗能力的太空軍團了。
錸（拼音：lái；注音：ㄌㄞˊ；英語：Rhenium；源于拉丁語：Rhenus），是一種化學元素，其化學符號為Re，原子序數為75，原子量為186.207 u。錸是一種銀白色的高密度重金屬，在元素周期表中屬于第6周期過渡金屬。錸是地球地殼中最稀有的元素之一，平均含量估值為十億分之一，同時也是熔點和沸點最高的元素之一。錸是鉬和銅提煉過程的副產品，其化學性質與錳和锝相似，在化合物中的氧化態最低可達−3，最高可達+7。
科學家在1925年發現了錸元素，因此它成為了最后被發現的穩定元素，其名稱（Rhenium）取自歐洲的萊茵河。錸是地球地殼中最稀有的元素之一，平均含量為十億分之一；地球地殼元素豐度從高至低排列，錸居第77位。
鎳基加錸高溫合金可用于制造噴氣發動機的燃燒室、渦輪葉片及排氣噴嘴。這些合金最多含有6%的錸，這是錸最大的實際應用，其次就是作為化工產業中的催化劑。錸比鉆石更難取得，所以價格高昂，2011年8月平均每公斤售4,575美元（每金衡盎司142.30美元）。由于錸可應用在高效能噴射引擎及火箭引擎，所以在軍事戰略上十分重要。
加入錸會提升鎳基高溫合金的蠕變強度。鎳基高溫合金一般含有3%至6%的錸。第二代鎳基高溫合金的含錸量為3%，曾用在F-16和F-15戰機引擎中。第三代單晶鎳基高溫合金的含錸量則有6%，曾用在F-22和F-35引擎中。含錸鎳基高溫合金還用于工業燃氣輪機。高溫合金在加入錸后會形成拓撲密排相（TCP），因此其微結構會變得不穩定，因此第四代和第五代高溫合金開始引入和使用釕的添加以避免這一不利現象。
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F100渦輪扇發動機使用第二代含錸鎳基高溫合金
使用含3%錸鎳基高溫合金的CFM56噴射引擎
據歷史統計，2006年的錸用于高溫合金領域的消耗量分別為：通用電氣28%，勞斯萊斯股份有限公司28%，普惠公司12%，皆用于生產鎳基高溫合金。另有14%用作催化劑，18%作其他用途。由于軍用噴射引擎需求持續增加，因此多數軍工科研機構都在研發含錸量更低的高溫合金，以維持低成本供應。比如，新型CFM56高壓渦輪（HPT）葉片使用的合金含1.5%的錸，以取代含錸量為3%的合金。
由于錸在各類高溫合金中以其神奇霸氣的“味精式”添加效應，樹立了如同昆侖黃河氣定山河一樣的“王者元素”形象，其所到之處，無不對合金材料整體性能起著“壯骨強筋”、“超能加持”的超級提升推進作用。錸除了助力加持最好的搭檔兄弟元素鎳以外，另外在以鎢、鉬、鈷、鈦、甚至鋼鐵為基體的材料中，錸都是可以起著當仁不讓的火箭大推力般的合金強化作用，而且，洞觀未來高溫合金技術的發展趨勢，越發顯示出一個特點：高性能的高溫合金必然少不了錸的加入，但在地球上的錸資源極其有限的前提下，要想發揮出錸的高性價比添加作用，往往只需像“撒胡椒粉”一樣走微量化添加路線，起到的合金強化效應卻可以是“以一頂萬”、“四兩撥千斤”。相信未來的許多先進裝備中，錸元素將以更加親民的應用方式展現在大眾面前。
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