新材料概论结课报告
2020-03-03 06:58:11 来源：范文大全收藏下载本文
超级钢与高温合金的研究进展与应用
陈进
（材料学院，成型12-3班，11355118）
摘要：本文选择了超级钢与高温合金两种材料作为本课程结业报告的主题，主要介绍了什么是超级钢与高温合金钢；钢材的性能与材料的组织结构、加工工艺、材料性质之间的关系；超级钢与高温合金钢的应用、发展现状与未来展望。
关键词：超级钢；高温合金；性能与工艺；发展现状；未来展望
一、引言
在现代社会中，我们的日常生活与工作处处都离不开材料，作为人类历史上较早使用的材料，由于具有其高强度、好的延展性、高的硬度等性能，钢铁与合金材料对我们有着极其重要的作用。尽管现在的高分子材料在某些领域有取代钢铁与合金材料的趋势，但是它的应用依旧非常广泛，如航天航空、造船、潜艇、火车动车等。而且随着科学技术的发展，对钢铁与合金材料的强度、硬度、耐低温和高温、抗腐蚀等性能提出了更高的要求。在《先进材料导论》这门课程中，我了解到了许多应用于各行各业的具有不同特殊性能的材料。在课程结束之际，我总结了我所收集和了解到的有关超级钢与高温合金的信息来作为课程的结束。
二、超级钢
1.超级钢概述 1.1.分类
传统细晶粒钢的晶粒尺寸通常在100μm以下。随着冶金技术和生产工艺的不断进步 ,细晶的尺寸不断缩小 ,甚至达到了微米 ,超细晶粒钢不包括传统细晶钢 ,按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小 , 可分为以下几类。 1.1.1.TMCP钢
控轧后立即加速冷却所制造的钢 ,称为TMCP (ThermoCa脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺 ,再到炉外精炼、无缺陷连铸坯的生产工艺等。
1.3.工艺方法和强韧化特点
欲获得超细晶粒钢 ,有多种工艺方法:同一快速加热条件下的热处理反复多次作用、金属粉末机械研磨、控轧、控冷、TMCP、复合 TMCP法等。利用生 产工艺技术是获得超细晶粒的主要手段。生产工艺技术是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定因素 ,因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。超细晶粒钢的主要特点是碳含量低 ,因此其强 化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量 ,而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法 来达到提高强韧化的目的。晶粒细化(变形细化和相变细化)是唯一能够同时提高钢强度和韧性的方法 ,故其成为超细晶粒钢最佳的强化机制。利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强化机制 ,高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效 ,但不会造成强化 ,强化粒子是低 温时在奥氏体或铁素体内形成的 ,位错与亚结构强 化也是一种有效的强化方式。 1.4.超级钢的比较优势
超级钢的生产可立足于现有的设备条件和普碳、碳锰钢的基本成分 ,设备改造投资较小 ;可少用或不用合金元素 ,有效降低资源消耗 ,成本低。合金元素使用量的减少 ,还能够使废钢的回收利用变得容易 ,有利于环境保护。超级钢较传统钢材性能高 , 可获得优异的塑韧性、屈强比和良好的焊接性 ,可替代一部分微合金钢和低合金高强钢。
2.超级钢研发现状 2.1.国外研发现状
1997年日本首先启动了“超级钢基础研究 ” 十 年计划。1998韩国启动了“二十一世纪高性能结构 钢 ” 计划。2001年欧盟启动了“超级晶粒钢开发 ” 计 划。2002年美国在钢铁研究指南中公布了两个新 一代钢铁材料开发项目。但到目前为止 ,大多数仍 处于实验室研究阶段 ,未见大规模工业应用报道。
2.2.中国超级钢研发现状
我国钢产量自 1996年以来一直稳居世界第一 , 在世界上奠定了钢铁大国的地位。但在钢铁品种质量方面,我国与世界先进水平仍有很大差距 ,沿用了几十年的钢种体系急需更新换代。在此国内外背景下 , 1998年在国家重点基础研究发展规划项目“973 计划 ” 中启动了“新一代钢铁材料基础研究 ” 项目。 围绕采用高新技术提高钢铁产品质量、促进钢材品 种更新换代这一战略目标 ,在“973项目”研究的基 础上, 2001年在国家高技术研究发展计划“863计 划 ”中又安排了题为“500MPa碳素钢先进工业化制造技术 ” 超级钢开发项目 ,积极参与到国际竞争中。钢铁研究总院与东北大学、北京科技大学合作 ,与生 产企业和用户联合攻关 ,历经五年于 2005年完成了课题任务。
我国超级钢的生产取得重要进展 ,实现了系列超级钢的大批量工业生产400MPa超级钢热轧 带钢首先在上海宝钢 2050热连轧生产线上实现工业生产。紧随其后 ,本钢、鞍钢、珠钢和武钢等厂家也分别实现了400MPa和500MPa超级钢带钢的大批量生产。400MPa级超级钢棒线材在鞍钢线材厂首先实现批量生产。江西萍钢、山东济钢也成功轧制出超级钢螺纹钢。2005年江西萍钢生产的超级 钢螺纹钢供应市场实现增效 1亿多元。图 1为我国 超级钢近几年来的产量情况。
3.超级钢的工业应用 3.1.应用于汽车制造业
超级钢首先在汽车制造业找到了市场。超级钢零部件可以减轻车身自重、减少油耗 ,正是汽车制造企业急需的新材料。上海宝钢生产的400MPa级超级钢用于一汽集团卡车底盘发动机前置横梁 ,各项指标全部满足要求 ,且吨钢成本较原来可节省 200 ～300元。一汽集团已将超级钢横梁列为企业标准。宝钢、鞍钢生产的超级钢已向一汽持续批量供货。卡车纵梁是关键承重件 , 500MPa级超级钢在这方面的应用经济效益更加明显。本钢生产的500MPa超级钢已为辽宁金州车架厂、吉林辉南车架 厂供货 ,武钢、珠钢的超级钢也已向二汽集团供货。
2 3.2.应用于建筑业
在建筑行业中 ,应用超级钢替代传统Ⅱ级钢筋具有良好前景。可以扭转我国混凝土用钢水平的落后局面。建设部新修订的混凝土结构设计规范已将屈服强度为400MPa级的Ⅲ级钢筋作为主导受力钢筋。可以预见 ,普通的 200MPa级钢筋将逐渐被400 ～500MPa的钢筋取代 ,低成本高强度的超级钢棒线 材将为建筑业提供有力的支撑。在经济高速发展的大背景下 ,建筑业的繁荣将为超级钢棒线材提供广阔的市场空间。2003年 ,首钢生产了 1 000多吨超 级钢钢筋用于国家大剧院
3.3.应用于其它行业
超级钢在其它行业中也有广阔的应用前景。过去依靠添加微合金元素来改善性能的造船用钢、桥梁用钢、容器用钢等均可考虑通过细化晶粒来提高强度改善韧性。这样 ,既可保证使用性能和工艺性能 ,又可降低成本。2005年 ,宝钢梅山超级钢桥梁钢板、钢管研发成功 ,用壁厚 6mm的超级钢钢管替代壁厚 8mm的低合金钢管 ,抗撞击性能大大优于普 通结构钢 ,直接应用于国家重点工程上海东海大桥 , 降低了大桥整体自重 ,经济社会效益相当可观。
4.未来展望
超级钢研发、生产及应用将成为世界钢铁工业的新亮点 ,必将成为未来主流钢材品种 ,在全球资源日益匮乏的条件下 ,促使钢铁工业焕发新的生机走上良 性可持续发展之路。作为发展中国家的中国,超级钢 的发展更符合中国的国情 ,已被列为“十一五 ” 重点发展的新材料之一。超级钢的发展将促使现有钢材品种全面升级换代 ,产品结构将得到根本优化 ,将达到 “普钢超级化、特钢更优化 ” ,提升钢铁企业市场竞争 力 ,奠定中国钢铁强国的地位 ,超级钢也必将在未来的建设中发挥不可替代的作用。
三、高温合金 1.概述
超耐热合金典型组织是奥氏体基体，在基体上弥散分布这碳化物、金属间化合物等强化相。高温合金的主要元素有铬、钴、铝、钛、镍、钼、钨等。合金元素起稳定的奥氏体基体组织，形成强化相，增加合金的抗氧化和抗腐蚀能力的作用。常用的高温合金有铁基、镍基和钴基3种。
1.1.高温合金分类
1.1.1.铁基超耐热合金
铁基高温合金是奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的铬和镍等元素。它是中等温度（600~800℃）条件下使用的重要材料，具有校核的中温力学性能和良好的热加工塑性，合金成分比较简单，成本较低。主要用于制作航空发动机和工业燃气轮机上涡轮盘，也可以制作导向叶片、涡轮叶片、燃烧室，以及其他承力件、紧固件等。另一用途是制作柴油机上的废气增压涡轮。由于沉淀强化型铁基合金的组织不够稳定抗氧化性较差，高温强度不足，因而铁基合金不能在更高温度条件下应用。 1.1.2.镍基超耐热合金
以镍为基体（含量一般大于50%）、在650~1000℃范围内具有较的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ‟-[Ni(Al,Ti)]相作为强化相，使合金的得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度 ；三是很含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可以分为固溶强化合金和沉淀强化合金：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬、钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。 1.1.3.钴基超耐热合金
钴基超耐热合金是含钴量40%~65%的奥氏体高温合金，在730~1100℃下，具有一定的高
3 温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。用于制作工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片等。钴基合金的发展应考虑钴的资源情况。钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，以至于钴基合金的发展受到限制。
钴基合金一般含镍10%~22%，铬20%~30%以及钨、钼、钽和铌等固溶强化和碳化物形成元素，含碳量很高，是一类以碳化物为主要强化相的高温合金。钴基合金的耐热能力与固溶强化元素和碳化物形成元素含量多少有关。 1.2.工艺方法与强韧化特点 1.2.1.固溶强化
加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。
1.2.2.沉淀强化
通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ‟、γ\"、碳化物等），以强化合金。γ„相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ‟相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ„相为Ni3(Al,Ti)。γ‟相的强化效应可通过以下途径得到加强：
①增加γ„相的数量；
②使γ‟相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；
③加入铌、钽等元素增大γ‟相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；
④加入钴、钨、钼等元素提高γ„相的强度。γ\"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ\"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相，而用碳化物强化。 1.2.3.晶界强化
在高温下，合金的晶界是薄弱环节，加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界，硼、锆原子能填充晶界空位，降低蠕变过程中晶界扩散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促进晶界第二相球化。另外，铸造合金中加适量的铪，也能改善晶界的强度和塑性。还可通过热处理在晶界形成链状分布的碳化物或造成弯曲晶界，提高塑性和强度。 1.2.4.氧化物弥散强化
通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物，呈弥散分布状态，从而获得显著的强化效应。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。这些氧化物是通过阻碍位错运动和稳定位错亚结构等因素而使合金得到强化的。 1.3.国内外发展状况 1.3.1.国外发展状况
从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ„相（gamma prime）以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。
此外，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如X-
45、HA-18
8、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。
40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金，
4 逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。 1.3.2.国内发展状况
我国高温合金的研发则起步于20世纪50年代末，比国外晚近30年。但是好在经过了初创、提高和创新发展等几个阶段我国在高温合金的研制上取得了很大的进展，到目前已经基本形成了自己的合金体系和研制生产基地。
我国从上世纪60年代开始发展国产航空发动机，历经坎坷，已经从最早的涡喷-
5、涡喷-14“昆仑”发动机，发展到目前的涡扇
10、涡扇15“太行”发动机，取得了巨大的进步。尤其是“太行”发动机的定型，实现了我国军用航空发动机从第二代向第三代，从涡喷向涡扇、从中等推力向大推力的跨越的“三大跨越”，标志着我国已具备自主研制大推力军用发动机的能力。虽然从各方面反馈的信息判断， “太行”发动机在性能方面和国外同类产品仍有不小差距，但是从最初试飞时的“喷零件”到现在的稳定量产，这一巨大进步还是不容质疑的。 1.4.高温合金的应用
一是军用，主要用户为航空、航天、舰用等领域，军品的特点是高牌号、高 使用性能、高精度、种类规格繁多。
二是民用，主要在石油化工、能源动力、冶金与环保等诸多民用工业领域广 泛应用，尤其是近几年来，随着产品的升级换代，高温服役的部件使用温度提高， 许多原先使用耐热钢、不锈钢部件都逐渐使用高温合金和耐蚀合金取代，对高温 合金及耐蚀合金的需求量非常大。民用变形高温合金产品种类主要有不同规格的 锻棒、轧棒、板材、带材、丝材、管材等。 1.5.发展前景与展望
自1956 年第一炉高温合金GH3030试炼成功,迄今为止,我国高温合金的研究生产和应用已经历了50多年的发展历程.目前，已有GH系变形高温合金和K系铸造高温合金。可以说，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主开发和研究的能力, 进行应用研究和对材料进行评估的能力以及进行故障分析的能力,可以解决航空、航天及其它工业部门生产和发展中所遇到的各种高温合金材料问题。 50 多年来由于需求的推动, 全国科技人员和企业共同努力, 我国逐步形成了独有的高温合金体系, 其特点是牌号多, 性能相近的合金不少, 因而本来生产量很小, 工艺和性能难以稳定的问题更加突出.造成这种局面的主要原因是每引进一种发动机, 就要试制一批合金, 再加我国自行研制的合金品种的不断增加, 因而造成我国高温合金品种的多样化，但是最根本的原因是我们对每个合金的深入研究不够, 对每个合金的特点不能做出有说服力的判断, 再加上合金研制与设计人员沟通不够, 以及国家在这方面没有明确的政策, 造成合金的品种增加多, 淘汰少, 从而形成当前如此局面, 这是留给高温合金工作者和发动机设计人员的一个复杂而艰巨的任务.应该指出, 要想合理地解决这一问题, 必须发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上
四、结束语
超级钢作为近年来国际钢铁新材料的前沿课题 ，引发了世界各国的研发浪潮 ,但国外超级钢研发 仍大多处于实验室阶段 ,未见大规模应用报道。在这一轮国际竞争中，中国走在了世界前列 ,率先实现了规模化工业生产及应用。但应该看到，我国超级钢的生产及应用的范围还相当有限 ,远没有达到普及的程度。超级钢产能不高 ,应用也没有得到大规模推广，因此在超级钢的研发、生产及应用方面不可松懈 ,仍应加大工作力度。
高温合金的研制与应用一直受到各国研究者的高度重视和政府的大力支持，在中国西北地区亦是如此。但国内研制高温合金与国外有较大差距这种差距不是在研究水平上，而是在工业化生产水平和应用尤其是应用上。
高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。
此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度
5 的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。
参 考 文 献
[1］郑子樵.新材料概论.江苏：中南大学出版社，2013.50-52；40-42 [2] 王 春.科研人员打造强度翻番超级钢 [ J ].科技日报 , 200415 [3] 中 冶.提升钢材品种升级换代“钱 ”途光明 [ J ].中国质量报 , 200609 [4] 丁义洁.我国超级钢开发应用取得重要进展 [ J ].科学时报 , 2004 - 121- 21 [5］郭建亭.高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展［J］.金属学报，2010，5：513-527 [6］林子皓； 熊计； 郭智兴； 周威； 唱岩； 高温合金切削刀具的研究现状及进展［J］.硬质合金，2013，6： 351-358 6 附录： 学习总结 1.对本课程的认识 信息技术、材料、能源并称为现代的三大支柱产业，任何从事生产工作的人都有必要了解这三个行业的一些相关知识，作为材料学科的学生、将来的材料领域的从业人员，除了学好相关的基础专业理论知识和生产工艺外，尤其有必要开阔视野，对材料的最新发展有一个全景式的了解，清楚材料的发展方向，最新的材料的应用领域。而这正是本课程能够提供给我们的。 2.对本课程的建议 由于本课程并不是以专业知识的讲授为主，书上的东西同学们自己看也能完全看懂，再加上不考试，同学们的学习动力就大大降低，为此我建议：课堂讲课老师讲课占一半的时间，另一半的时间让同学自己去查阅相关的资料后在课堂上与同学们分享。甚至老师讲授的一半时间也可以砍掉，班时间全部交给同学们讲，老师只在同学讲完后给予必要的总结和对其中的错误的纠正。这样不仅同学们有了铁打的学习动力，而且学到的东西来的更为实在且深刻，还能部分地解决逃课问题。 7
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