高温高压不锈钢换热管,高温合金简介

高温合金定义

高温合金是指一类以铁、镍、钴为基体的金属材料，可以在600℃以上的高温和一定的应力下长期工作； 并具有较高的高温强度、良好的抗氧化性和耐腐蚀性。 良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。 该高温合金为单一奥氏体结构，在各种温度下具有良好的结构稳定性和服役可靠性。

基于以上性能特点，合金化程度高的高温合金，又称“超级合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、船舶等领域的重要材料。 高温合金按基体元素分为铁基、镍基、钴基等高温合金。 铁基高温合金的使用温度一般只能达到750~780℃。 对于在较高温度下使用的耐热部件，使用镍基和难熔金属基合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊而重要的地位。 它们广泛用于制造航空喷气发动机和各种工业燃气轮机的最热部件。

高温合金性能

材料在高温环境下各种降解速率加快，使用过程中在温度和应力的作用下容易发生组织失稳、变形和裂纹扩展，材料表面发生氧化腐蚀。

1、耐高温、耐腐蚀

高温合金的耐高温和耐蚀性能主要取决于其化学成分和组织。 以镍基变形高温合金为例，可以看出合金中铌含量高，合金中铌的偏析与冶金工艺有直接关系。 左右高温，与美牌相似，合金由γ基体相、δ相、碳化物和强化相γ'、γ″相组成。 该合金的化学元素和基体组织显示出其强大的力学性能，屈服强度和抗拉强度比45钢好几倍，塑性也比45钢好。 稳定的晶格结构和大量的强化因素构成了其优异的力学性能。

镍铬钼钛铌铝铁

51． 96 17． 98 3． 07 0． 95 4． 82 0． 还有 45 个

表1主要化学成分（质量分数%）

2、加工难度高

由于高温合金的工作环境复杂、恶劣，加工表面的完整性对其性能起着非常重要的作用。 但高温合金是典型的难加工材料，其显微强化件硬度高、加工硬化严重高温高压不锈钢换热管，抗剪应力高、导热系数低。 切削区的切削力和切削温度较高，在加工过程中经常发生。 加工表面质量低，刀具损伤非常严重。 在正常切削条件下，高温合金表层会产生过大的硬化层、残余应力、白层、黑层和晶粒变形层。

高温合金的主要分类

传统的高温合金材料分类可按基体元素类型、合金强化类型、材料形成方法等三种方式进行。

1.根据矩阵元素的类型

⑴ 铁基高温合金

铁基高温合金也可称为耐热合金钢。 其基体为Fe元素，加入少量Ni、Cr等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。

⑵ 镍基高温合金

镍基高温合金含有一半以上的镍，适用于1000℃以上的工作条件。 固溶和时效过程可以大大提高抗蠕变性和压缩屈服强度。 目前，从高温环境下使用的高温合金分析，镍基高温合金的使用范围远远超过铁基和钴基高温合金的使用范围。 同时，镍基高温合金也是我国生产和使用最多的高温合金。 许多涡轮发动机的涡轮叶片和燃烧室，甚至涡轮增压器都使用镍基合金作为制备材料。 半个多世纪以来，航空发动机所用高温材料承受高温的能力从1940年代后期的750℃提高到1990年代后期的1200℃。 应该说，这种巨大的改进也促使了铸造工艺加工和表面涂层等方面的飞速发展。

⑶ 钴基高温合金

钴基高温合金以钴为主要成分，钴含量约占60%。 同时还需要加入Cr、Ni等元素来提高高温合金的耐热性。 虽然这种高温合金的耐热性不错，但由于各国钴资源的产量比较少，加工难度也比较大，所以钴资源量并不多。 通常用于高温条件（600～1 000℃）和长期承受极端复杂应力的高温部件，如航空发动机工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等. 为了获得更好的耐热性，一般情况下，制备时应加入W、MO、Ti、Al、Co等元素高温高压不锈钢换热管，以保证其优越的耐热性和抗疲劳性。

2、合金强化型

根据合金强化的类型，高温合金可分为固溶强化高温合金和时效沉淀强化合金。

⑴固溶强化型

所谓固溶强化型就是在铁基、镍基或钴基高温合金中加入一些合金元素，形成单相奥氏体组织。 溶质原子使固溶体的基体晶格发生畸变，使固溶体中的滑移阻力增加而强化。 一些溶质原子可以降低合金体系的堆垛层错能，增加位错分解的倾向，使滑移难以进行，强化合金，达到强化高温合金的目的。

⑵时效析出强化

所谓时效析出强化是合金工件经固溶处理和冷塑性变形，然后置于较高温度或室温下以保持其性能的热处理工艺。 例如：合金，在650℃时的最高屈服强度可达1 000 MPa，用于制造叶片的合金温度可达950℃。

3.材料成型方法

按材料成形方法分：铸造高温合金（包括普通铸造合金、单晶合金、取向合金等）、变形高温合金、粉末冶金高温合金（包括普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金）。

⑴ 铸造高温合金

用铸造法直接制备零件的合金材料称为铸造高温合金。 按合金基体成分可分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金三种。 按结晶方式可分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金四种。

⑵变形高温合金

目前，它仍是航空发动机中使用最多的材料，在国内外得到广泛应用。 我国变形高温合金年产量约为美国的1/8 [2] 。 以合金为例，是国内外应用范围最广的主要品种。 我国主要以涡轴发动机的螺栓、压气机、轮毂、抛油盘为主要零部件。 随着其他合金产品的成熟，变形高温合金的使用可能会逐渐减少，但在未来几十年内仍将如此。 主导的。

⑶ 新型高温合金

包括粉末高温合金、钛铝金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等细分产品领域。

①第三代粉末高温合金的合金化程度有所提高，从而兼顾了前两代的优点，获得了更高的强度和更低的损伤。 粉末高温合金的生产工艺日趋成熟。 未来可能从以下几个方面进行：粉体制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉盘；

②钛铝金属间化合物已发展到第四代，并逐渐向多元素微量元素和常量元素两个方向扩展。 德国汉堡大学、日本京都大学、德国GKSS中心都进行了广泛的研究。 钛铝基金属间化合物已用于船舶、生物医药、体育用品等领域；

③氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金的一部分，目前正在生产和开发的有近20种。 具有较高的高温强度和较低的应力系数，广泛用于燃气轮机、高级航空发动机、石油化工反应器等的耐热、抗氧化部件；

④耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，用于建筑和航空航天领域。

高温合金的常见类型

1、高温合金

该合金是一种镍铬铁基高温合金。 该合金属于镍基变形高温合金。 镍基合金是最复杂的合金之一。 广泛用于制造各种耐高温元件。 同时，它也是所有高温合金中最引人注目的合金。 其相对使用温度也是所有常用合金体系中最高的。 目前，这种合金在先进航空发动机中的比例超过50%。

该合金是国际镍业公司佛山市新泽昌不锈钢有限公司研制成功并于1995年公开推出的一种时效硬化型镍铬铁基变形合金。由体心立方g"和面心立方g'相强化。在650℃以下具有较高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性，具有良好的耐蚀、耐辐射、疲劳、断裂韧性等综合性能性能，以及令人满意的焊接和焊后成形性能等。该合金在-253至650℃的宽温度范围内具有稳定的组织和性能，已成为低温和高温条件下的有用产品。高温合金的范围非常广泛，由于其良好的综合性能，目前广泛用于航空发动机的压气机盘、压气机轴、压气机叶片、涡轮盘、涡轮轴、机壳、紧固件等结构件和板材焊件等[3]。

我国70年代开始研制合金，主要用于盘件，使用时间较短，故采用真空感应和电渣重熔双重工艺。 80年代开始应用于航空领域。 改善和提高材料质量，提高合金的综合性能和可靠性成为主要研究方向。 目前合金的主要研究方向是：

(1)改进冶炼工艺，量化冶炼参数，实现程序稳定运行，使合金组织更加均匀，从而获得优异的屈服强度和疲劳强度，以及抗裂纹扩展能力和阻滞，提高低周疲劳强度等；

(2)改进热处理工艺。 目前的热处理工艺不能很好地消除钢锭中心偏析，因此对组织的均匀性产生不利影响。 因此，采用合理的均匀化退火工艺获得细晶粒坯料成为目前的主要研究方向之一；

(3)改进使用设计。 由于高温合金的工作温度不能高于650℃，因此应加强零件的冷却，以充分发挥高温合金高性能、低成本的优势；

（四）提高组织稳定性。 由于航空发动机部件的长寿命要求，提高合金长期时效组织的稳定性也至关重要。

2. 单晶高温合金

目前单晶合金材料已经发展到第四代，耐温能力提高到1140℃，接近金属材料的温度极限。 为进一步满足未来先进航空发动机的需要，叶片材料的开发应进一步扩大。 陶瓷基复合材料有望替代单晶高温合金，满足热端部件在更高温度环境下的使用。

单晶高温合金叶片的研制难度和周期与其结构复杂性有关。 一般复杂度的单晶叶片研制周期较短，但应用于航空发动机需要较长时间。 从单晶实心叶片到单晶空心叶片，再到高效风冷复合空心叶片等，技术难度跨度非常大，相应的开发周期跨度也比较大。 普通复杂度的单晶空心叶片，从图纸确认、模具设计到试制，再到小批量生产，一般需要1~2年的时间。但由于其服役环境复杂，单晶叶片需要一个大量的验证测试。 普通结构的单晶空心叶片研制成功后，一般需要5到10年的时间才能应用到航空发动机上。 进步，甚至需要15年或更长时间

高温合金的主要用途

1、航天领域

我国自主航天工业发展先进发动机，将带来市场对高端新型高温合金的需求增加。

航空发动机被誉为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的零部件之一。 作为飞机动力装置，金属结构材料具有轻质、高强、高韧性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能尤为重要，这几乎是结构材料中最高的性能要求。

高温合金是可以在 600°C 以上的温度和一定的应力条件下长期工作的金属材料。 高温合金是为满足现代航空发动机严格的材料要求而开发的，已成为航空发动机热端部件不可替代的关键材料。 目前，在先进航空发动机中，高温合金的比例已达到50%以上。

在现代先进的航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总量的40%～60%。 在航空发动机中，高温合金主要用于燃烧室、导叶、涡轮叶片和涡轮盘这四个热段部件； 此外，它们还用于外壳、环、加力燃烧室和尾喷口等部件。

2.能量场

高温合金广泛应用于能源领域。 燃煤电厂高参数超超临界发电锅炉、过热器和再过热器必须采用抗蠕变性能好、蒸汽侧抗氧化、烟气侧耐腐蚀的高温合金管； 在燃气轮机中，涡轮叶片和导流叶片需要使用耐高温腐蚀高温合金，具有优良的耐高温腐蚀性能和长期的结构稳定性； 在核电领域，蒸汽发生器传热管必须使用耐溶液腐蚀的高温合金； 在气化和节能减排领域，具有优异的抗高温热腐蚀和高温磨损性能的高温合金得到广泛应用； 在石油和天然气开采中，特别是在深井开采中，钻具处于4-150℃的酸性环境中，并且存在CO2、H2S和沉积物，必须使用耐腐蚀和耐磨的高温合金[5 ].

我国上海电气、东方电气、佛山新泽昌不锈钢有限公司等大型发电设备制造集团近年来在生产规模和生产技术方面都有较大提升，拉动了电力涡轮盘的需求代设备。 本土正在研发的新一代发电设备——大型地面燃气轮机（也可作为船用动力）取得重大进展，量产将拉动高温合金需求。 同时，核电装备的国产化也将拉动国产高温合金的需求。