“铼与高温合金”系列之三《高温合金与铼元素的强化效应（铼效应）之底层逻辑关系》
- 分类：应用技术
- 作者：tyc234cc 太阳成集团合金
- 来源：
- 发布时间：2023-03-07
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【概要描述】高温合金与铼元素的强化效应（铼效应）之底层逻辑关系
“铼与高温合金”系列之三《高温合金与铼元素的强化效应（铼效应）之底层逻辑关系》
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高温合金分类及应用占比
镍、铁、钴基三类高温合金的合金强化特点
1、镍为面心立方结构，没有同素异构转变；铁、钴仅在高温下为面心立方奥氏体结构，因此，铁基和钴基合金中须加入扩大奥氏体相区的合金元素。
2、镍化学稳定性较高，钴和铁抗氧化性低于镍，但钴抗热腐蚀能力比镍强；加铬可显著改善镍基合金的抗氧性和钴基合金的抗热腐蚀性。
3、镍的相稳定性最好，镍或镍铬基体可固溶更多的合金元素而不生成有害的相；铁的相稳定性最差，铁或铁铬镍基体只能固溶较少的合金元素，有强烈的析出各种有害相的倾向。
4、铁的密度最小，但膨胀系数最大，导热能力较好；钴与镍比较，其导热性较好，膨胀系数较低，所以其热疲劳性能较优。
综合以上对比，不难发现：镍是一种最佳的基体金属，这使得镍基高温合金成为最佳表现的高温合金系列。钴基合金耐热腐蚀及耐热疲劳性能高，可以发挥其优势，有较长的使用寿命，适用于高温低应力下长期使用的静态部件。铁基合金的使用温度范围较镍基和钴基低。镍基高温合金应用最为广泛，铁基高温合金和钴基高温合金也有一定的应用。
1）变形高温合金
例如GH4169：时效沉淀强化型镍基高温合金，编号169。
2）铸造高温合金
“K＋3位阿拉伯数字”。“K”后第1位数字表示分类号，其含义与变形合金相同；
第二、三位数字——合金编号。例如K418:时效沉淀强化型镍基铸造高温合金，编号18。
3）粉末冶金高温合金
“FGH”+阿拉伯数字表示；焊接用的高温合金丝：“HGH”后跟阿拉伯数字。
MGH——机械合金化粉末高温合金
DK——定向凝固高温合金
DD——单晶铸造高温合金
70年代以前，我国高温合金牌号简单，变形高温合金只有3位数字编号,铸造高温合金只有2位数字编号，即省略了前缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字，如“K17”，即现在的“K417”，“GH39”即为现在的“GH3039”。
高温合金材料一般用于航空发动机耐高温材料的制造，特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。目前市场需求主要都是军用产品，由于其军工价值所以也被视为战略物资，买卖这种材料被视为与武器贸易相同等级来加以管制，而配方与制造方法、加工使用都是重要机密，各航空大国都在极其保密的条件下研制。
劳斯莱斯公司涡轮-联合（Turbo-Union）RB199-34R Mk103涡轮扇发动机内的一块镍基高温合金扇叶
单晶高温合金是指合金以单个晶体为单位，合金化程度高于普通的高温合金。晶界的消除从而不易产生裂纹源，弥补了传统的铸锻高温合金铸锭偏析严重、热加工性能差、成形困难等难点，因而其具有良好的持久寿命、低蠕变速率和良好的抗热疲劳性能。
20世纪80年代以来，单晶高温合金一直沿着其独特的道路发展。随着合金设计理论水平的提高和生产工艺的改进，相继出现耐温能力比第1代单晶合金分别大约高30℃和60℃的第2代单晶合金和第3代单晶合金；第1代单晶高温合金的代表牌号有DD2, DD3, DD4, DD26, DD26C, DD402, DD8等，第2代单晶高温合金的代表牌号有PWA1484 ,CMSX-4, DD6, DD398, DD5, DD99, MO9A, DD13等，第3代单晶高温合金的代表牌号有CMSX-10, CMSX-11, ReneN6,TMS-75, TMS-82, DD9, DD10, DD32, DD33, DD90等。
CMSX-4是由 Cannon Muskegon Corporation 研发的一种超高强度单晶合金。这种第二代含铼的镍基单晶合金具有更高的峰值温度/应力，能够在至少2125°F (1163°℃) 的环境下工作。CMSX-4合金已经大量投产。使用CMSX-4合金制造的叶片在其 15000 马力 Mars 100 工业燃气涡轮机上无故障使用寿命达到了 25000-30000 小时。在全球范围内的广泛应用以及工业燃气涡轮机叶片中的应用经验。
最后来说说高温合金材料的强化，所有高温合金都含有多种合金元素，有时多达几十种，这些合金元素将产生一系列合金强化作用。
1、合金强化：加入的多种合金元素与基体元素(镍、铁或钴)产生作用，从而产生强化效应，包括：① 固溶强化；② 第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化)；③ 晶界强化。
2、工艺强化：采用新工艺，或者改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化。
3、高温合金强化=合金强化+工艺强化
在高温合金所有产生合金强化作用的元素中，有一个元素起到的关键作用让人不得不提，那就是铼。可以用这样一个比喻来形容铼在高温合金中起到的“扛把子”角色：当铼加入高温合金之前，它还只是一支小米加步枪式的由游兵散勇临时组配的队伍；当铼加入高温合金之后，它就瞬间升变成一支拥有时空对抗能力的太空军团了。
铼（拼音：lái；注音：ㄌㄞˊ；英语：Rhenium；源于拉丁语：Rhenus），是一种化学元素，其化学符号为Re，原子序数为75，原子量为186.207 u。铼是一种银白色的高密度重金属，在元素周期表中属于第6周期过渡金属。铼是地球地壳中最稀有的元素之一，平均含量估值为十亿分之一，同时也是熔点和沸点最高的元素之一。铼是钼和铜提炼过程的副产品，其化学性质与锰和锝相似，在化合物中的氧化态最低可达−3，最高可达+7。
科学家在1925年发现了铼元素，因此它成为了最后被发现的稳定元素，其名称（Rhenium）取自欧洲的莱茵河。铼是地球地壳中最稀有的元素之一，平均含量为十亿分之一；地球地壳元素丰度从高至低排列，铼居第77位。
镍基加铼高温合金可用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴。这些合金最多含有6%的铼，这是铼最大的实际应用，其次就是作为化工产业中的催化剂。铼比钻石更难取得，所以价格高昂，2011年8月平均每公斤售4,575美元（每金衡盎司142.30美元）。由于铼可应用在高效能喷射引擎及火箭引擎，所以在军事战略上十分重要。
加入铼会提升镍基高温合金的蠕变强度。镍基高温合金一般含有3%至6%的铼。第二代镍基高温合金的含铼量为3%，曾用在F-16和F-15战机引擎中。第三代单晶镍基高温合金的含铼量则有6%，曾用在F-22和F-35引擎中。含铼镍基高温合金还用于工业燃气轮机。高温合金在加入铼后会形成拓扑密排相（TCP），因此其微结构会变得不稳定，因此第四代和第五代高温合金开始引入和使用钌的添加以避免这一不利现象。
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F100涡轮扇发动机使用第二代含铼镍基高温合金
使用含3%铼镍基高温合金的CFM56喷射引擎
据历史统计，2006年的铼用于高温合金领域的消耗量分别为：通用电气28%，劳斯莱斯股份有限公司28%，普惠公司12%，皆用于生产镍基高温合金。另有14%用作催化剂，18%作其他用途。由于军用喷射引擎需求持续增加，因此多数军工科研机构都在研发含铼量更低的高温合金，以维持低成本供应。比如，新型CFM56高压涡轮（HPT）叶片使用的合金含1.5%的铼，以取代含铼量为3%的合金。
由于铼在各类高温合金中以其神奇霸气的“味精式”添加效应，树立了如同昆仑黄河气定山河一样的“王者元素”形象，其所到之处，无不对合金材料整体性能起着“壮骨强筋”、“超能加持”的超级提升推进作用。铼除了助力加持最好的搭档兄弟元素镍以外，另外在以钨、钼、钴、钛、甚至钢铁为基体的材料中，铼都是可以起着当仁不让的火箭大推力般的合金强化作用，而且，洞观未来高温合金技术的发展趋势，越发显示出一个特点：高性能的高温合金必然少不了铼的加入，但在地球上的铼资源极其有限的前提下，要想发挥出铼的高性价比添加作用，往往只需像“撒胡椒粉”一样走微量化添加路线，起到的合金强化效应却可以是“以一顶万”、“四两拨千斤”。相信未来的许多先进装备中，铼元素将以更加亲民的应用方式展现在大众面前。
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