鎳基復(fù)合材料

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1、鎳基復(fù)合材料的應(yīng)用10級(jí)金屬（1）班1007024101鎳基復(fù)合材料的應(yīng)用鎳基復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。鎳基復(fù)合材料主要用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的全流循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部件要求材料在一定溫度下具有高強(qiáng)度、抗蠕變、抗疲勞、耐腐蝕、與氧相容。在目前正在研制的系統(tǒng)中這些部件選用鎳基高溫合金。雖然用SiC顆?；蚶w維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以達(dá)到高強(qiáng)度、高剛度和抗蠕變。但在全流循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的富氧驅(qū)動(dòng)氣體環(huán)境下，這些材料不能兼顧與氧的相容性。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬變過(guò)程的熱沖擊環(huán)境，排

2、除了渦輪葉片采用加涂層的材料系的可能。因此，用整體材料制作的渦輪葉片，必須經(jīng)受住富氧燃燒產(chǎn)物所形成的環(huán)境。因?yàn)闇u輪部件和渦輪盤(pán)在大約9min運(yùn)行中一般不用冷卻，所以在短時(shí)運(yùn)行中，整體材料溫度達(dá)到730℃是正常的。對(duì)某些設(shè)計(jì)，希望密度低于6.5g/cm3的材料的強(qiáng)度要大于1040MPa。應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境都十分苛刻，要延長(zhǎng)維修平均間隔時(shí)間(MTBR)使這些材料性能目標(biāo)更難達(dá)到。其它非旋轉(zhuǎn)部件也必須經(jīng)受住極端運(yùn)行環(huán)境的考驗(yàn)。噴注器面板、噴注殼體和預(yù)燃燒器在高溫下都必須抗氧化、耐腐蝕、抗氫脆。噴嘴調(diào)節(jié)和控制流入主燃燒室的推進(jìn)劑流量。預(yù)燃燒室是個(gè)

3、小型燃燒室。在這個(gè)燃燒室里，產(chǎn)生渦輪驅(qū)動(dòng)氣體。在目前一些系統(tǒng)(其中一些被有效冷卻)中，這些部件使用鈷合金。未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的這些部件，預(yù)計(jì)有極端的熱環(huán)境(氣體溫度接近918℃)和高達(dá)62MPa的壓力。Si3N4整體材料正在用作噴嘴殼體，但陶瓷殼體與金屬推力室的匹配困難還沒(méi)有解決。由于噴嘴殼體的形狀是軸對(duì)稱(chēng)的，所以早就有人建議這種殼體采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，但部件的匹配條件向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料提出挑戰(zhàn)。以下為兩種比較典型的鎳基復(fù)合材料及其主要性能：（一）、鎳基變形高溫合金以鎳為主要基體成分的變形高溫合金。鎳基變形高溫合金以漢語(yǔ)拼音字母“GH

4、”加序號(hào)表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。按強(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金和強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金3類(lèi)。用途：鎳基變形高溫合金廣泛地用來(lái)制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤(pán)和燃燒室等。合金元素的作用：鉻在鎳基變形高溫合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蝕能力。20世紀(jì)40～50年代發(fā)展的鎳基變形高溫合金中鉻含量高達(dá)18%～20%，在60年代，為了提高高溫強(qiáng)度，將鉻含量降低到8%～12%。過(guò)度降鉻有損抗氧化、

5、耐蝕能力固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷等元素。弱時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時(shí)效強(qiáng)化元素。強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金中則可以加入多量的鋁、鈦、鈮元素，但其總量不能超過(guò)7.5%。也加入硼、鈰、鎂等晶界強(qiáng)化元素。組織特點(diǎn)：主要的強(qiáng)化相是γ′(Ni3Al)相，含量達(dá)20%～55%左右。另一類(lèi)強(qiáng)化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于γ′相，特別顯著地提高屈服強(qiáng)度，是渦輪盤(pán)材料中有名的強(qiáng)化相。加工方法：變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，特別是含γ′相很高的強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，使用普通

6、的熱加工手段變形有一定困難，往往需采取一些特殊的加工工藝，如鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套鐓餅等新工藝。也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來(lái)提高塑性。鎳基鑄造高溫合金以鎳為主要成分的鑄造高溫合金，以“K”加序號(hào)表示，如K1、K2等。隨著使用溫度和強(qiáng)度的提高，高溫合金的合金化程度越來(lái)越高，熱加工成形越來(lái)越困難，必須采用鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)。這樣，鎳基變形高溫合金就轉(zhuǎn)化為鎳基鑄造高溫合金。添加元素及作用：鎳基鑄造高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ′相進(jìn)

7、行強(qiáng)化，γ′相數(shù)量較多，有的合金高達(dá)60%；加入鈷能提高γ′相的溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強(qiáng)化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對(duì)晶界產(chǎn)生強(qiáng)化作用的碳化物；鋁和鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低γ′相的溶解度和高溫強(qiáng)度，因此鉻含量應(yīng)低些；鉿：改善合金中溫塑性和強(qiáng)度；為了強(qiáng)化晶界，添加適量硼、鋯等元素。缺點(diǎn)及克服方法（1）疲勞性能稍差、塑性較低、使用中組織穩(wěn)定性有所下降；（2）存在疏松，性能波動(dòng)較大。應(yīng)用：鎳基鑄造高溫合金用于飛機(jī)、船舶、工業(yè)和車(chē)輛用燃?xì)廨啓C(jī)的最關(guān)鍵的高溫部件，如渦輪機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片和整體渦輪等。鎳基復(fù)合材料在

8、水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能及磨損機(jī)理研究復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦系數(shù)比干摩擦降低了一半左右，磨損率僅為干摩擦下的1／15，水環(huán)境中，負(fù)荷和速度的變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大，摩擦系數(shù)基本保