超級合金是一種在惡劣條件下表現極為出色的特殊材料。這些特殊合金比普通金屬具有非凡的強度和更大的抵抗力。
在這篇文章中，我們將介紹什麼是超級合金及其主要特性。我們還將了解高溫合金的類型、製造流程和工業應用。
什麼是超合金？
基本上，超級合金是一種先進的金屬材料，旨在在惡劣環境下可靠運作。它們可以承受高機械壓力、500°C 以上的溫度和腐蝕性條件。
由於其優異的熱穩定性、強度和抗氧化性，它們被用於化學加工和航空航天等許多應用領域。
另請參閱: 什麼是鋁合金
高溫合金的成分
超級合金中的基本元素是鐵、鎳和鈷。它們還含有一些額外的元素，如鋁、鉻以及鈦，它們是重要的合金成分。
鎳基高溫合金含有 50% 至 70% 的鎳和 5% 至 20% 的鉻。這些材料中鋁含量高達 6%，具有抗氧化性和更好的強度。此外，還添加鎢、鉬和鉭以增強固溶體強度以及形成碳化物，使合金即使在高溫下也能保持穩定。
高溫合金的類型
鈷基高溫合金
鈷基高溫合金由於其出色的耐磨性和熱穩定性能而非常重要。其成分包括50％至60％的鈷和一定量的鎢和鉻。這些合金形成穩定的氧化層，可防止腐蝕並可承受 1300°C 以上的溫度。
由於這些合金具有抗熱疲勞性能，因此非常適合低壓渦輪導向葉片以及受溫度波動影響的零件。
鎳基高溫合金
這些超級合金被用於許多行業，因為它們能夠承受高溫而不會失去其結構完整性。它們主要由鎳以及鉻、鈦和鋁等一些添加元素組成。
這些合金特別用於燃氣渦輪機和噴氣發動機，因為即使在 1000°C 以上的溫度下它們的強度和耐腐蝕性仍然完好無損。
鐵基高溫合金
鐵基高溫合金為具有中等溫度要求的應用提供了一種經濟有效的解決方案。這些合金主要用於承受長期應力的航空發動機零件和飛機軸承。儘管與鎳基或鈷基高溫合金相比，它們的高溫性能較差，但它們在 750°C 以下的溫度下仍具有出色的機械性能。
高熵合金 (HEA)
高熵合金代表了高溫合金技術的最新進展。它們含有等量的五種以上的元素。它們具有出色的抗氧化性、熱穩定性和高溫抗蠕變性等性能。
由於這些特性，它們被用作航空航天工業以及燃氣渦輪機中鎳基高溫合金的替代品。
鈦基高溫合金
鈦基高溫合金是由鈦與鉬、鋁等元素結合而成。它們被用來製造堅固、輕質的材料。
由於其出色的耐腐蝕性和高強度重量比，它們在航空航天應用中非常重要，特別是在起落架中。此外，由於這些合金具有良好的生物相容性，因此也用於醫療行業的植入物。
高溫合金的主要性能
抗氧化性
超級合金透過形成特殊的保護性氧化膜（如 Cr2O3 和 Al2O3）來抵抗氧化。這些鱗片形成保護屏障，抑制進一步氧化。這就是為什麼它們即使在高溫下也能保持結構完整性的原因。
高溫強度
高溫合金即使在 500°C 以上的溫度下仍能保持其機械強度。 沉澱硬化 固溶強化 方法解釋了鎳形成穩定的伽馬'相的這種能力。
防銹
鉻和鉬的存在使得超合金具有很高的耐腐蝕性。鉻在合金表面形成一層保護性的 Cr2O3 層。另一方面，鉬可以改善鈍化效果。由於這些元素的存在，超級合金能夠免受惡劣化學環境的影響。
抗熱疲勞性
高溫合金的獨特微觀結構具有穩定的晶界和連貫的沉澱物。這些特性可防止在週期性熱應力期間形成裂縫。這就是為什麼這些材料非常適合經歷反覆冷卻和加熱的零件。
抗氧化性
超級合金提供了非常非凡的 抗蠕變性 這是由於其金屬基體中存在細小分佈的沉澱物和連貫粒子。由於這種特性，這些合金能夠在長時間的高溫高壓下保持其結構完整性。
固溶體和沈澱硬化
高溫合金的非凡強度源自於兩種機制。第一種是固溶強化，其中合金元素溶解到基體金屬中。另一類是沉澱硬化，形成細小顆粒。這些粒子阻止位錯運動，從而大大提高合金的強度。
5 高溫合金製造工藝
1. 鑄造技術
製造高溫合金最常用的方法是鑄造。主導該行業的三種主要技術是熔模鑄造、定向凝固和單晶鑄造。
熔模鑄造使用在真空條件下製作的陶瓷模具來減少雜質。
定向凝固採用緩慢的冷卻速度來控制晶粒生長，進而提高抗蠕變性。
單晶鑄造進一步細化了定向凝固過程，其中晶粒邊界被完全去除。此製程可提高抗熱疲勞和抗蠕變能力。
2.積層製造
積層製造可讓您直接從 CAD 模型建立複雜的形狀。
選擇性雷射熔化是一種積層製造技術，其中高能量雷射逐層熔合金屬粉末。該過程會在最終產品上產生一些孔洞，但可以透過使用熱處理或 HIP 等後處理方法來減少這些孔洞。
AM 有助於製作無法使用傳統製造方法製作的空心設計和晶格結構。
參見: 積層製造與減材製造
3.粉末冶金
製造高溫合金的另一種重要方法是粉末冶金。該過程從霧化開始，其中熔融的金屬被分解成細粉末顆粒。然後，製造商採用擠壓或熱等靜壓將這些粉末混合在一起。這種方法可以得到更均勻的合金和更小的晶粒尺寸。廠商多採用此方法生產頭巾圓盤。
4. 熱處理工藝
熱處理製程對於改善高溫合金的性能起著重要作用。其主要製程為固溶處理，使沉澱物在高溫下溶解，從而形成均勻的組織。然後透過控制時效和冷卻過程利用沉澱硬化來產生強化顆粒。
為了防止氧化，製造商使用真空熱處理製程。而且 熱等靜壓 也用於消除內部毛孔。這些方法提高了高溫合金的熱穩定性、強度和抗蠕變性。
5. 熱機械加工
熱機械加工將熱處理和變形結合起來，以改善高溫合金的微觀組織。這個過程需要多個階段 鍛造在特定溫度下進行壓縮和滾動。 TMP 製成的細晶粒結構具有更好的機械性能。製造商大多將此方法應用於渦輪葉片所使用的鎳基高溫合金。
高溫合金的工業應用
發電
發電廠在熱交換器、蒸汽和燃氣渦輪機以及鍋爐部件中使用高溫合金。在這些部分 Inconel 718 和其他鎳基合金因其耐機械疲勞和高溫腐蝕而特別被使用。
此外，高溫合金也用於再生能源系統，如工作溫度高達 500°C 的聚光太陽能接收器和風力渦輪機。
航太
高溫合金的使用在航空航太工業中非常重要。這些材料用於製造燃燒器、排氣管和渦輪葉片等重要零件。即使在 1000°C 以上的溫度下，這些零件仍能保持其耐用性。
海洋應用
超級合金非常適合海洋應用，因為它們能夠抵抗海水污染和腐蝕。工程師在海底系統中使用它們來產生波浪能和潮汐能。這些材料特別用於保護那些經歷極端海洋條件的船舶部件。
化學加工
化工廠需要超級合金作為管道、反應器以及熱交換器，因為這些部件暴露在高壓和腐蝕性化學物質中。這些合金由於其抗縫隙腐蝕和抗點蝕性能而可用於在惡劣的化學環境中長期運作。
汽車產業
在汽車工業中，超級合金用於排氣系統、渦輪增壓器葉輪和高性能引擎零件。這些材料即使在高熱高壓下仍能保持其特性，從而提高引擎效率。此外，超合金也可用作底盤部件等結構件的輕量化解決方案。
考量和挑戰
儘管高溫合金在極端條件下表現良好，但製造商在應用和製造過程中仍面臨許多挑戰。
由於導熱性差，超合金經常會出現應力開裂。為了避免這個問題，工程師必須在設計中仔細規劃熱量分佈。
高溫合金的低熱擴散率和高硬度導致加工過程中出現許多障礙。由於熱量集中在切削區，刀具很快就會損壞，而且表面光潔度也會不符合標準。為了解決這些問題，您必須使用先進的冷卻方法和特殊的硬質合金工具。
需要熱處理和複雜的鑄造方法大大增加了高溫合金的生產成本。然而，積層製造和粉末冶金等先進的生產技術對於減少這些困難非常有幫助。
總結一下
簡而言之，高溫合金由於其耐高溫、耐腐蝕、熱穩定性等優異的性能，在現代工業中是不可或缺的。儘管這些材料在製造過程中存在挑戰，但它們對航空航太、能源和汽車工業仍然很重要。
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相關問題
高溫合金如何承受高應力環境和極端溫度？
高溫合金使用三種主要方法來保持其在高溫下的強度，包括沉澱硬化、固溶強化和耐火元素。
普通合金和超合金有何不同？
主要區別在於普通合金不具備超級合金所具有的先進性能，如非凡的耐腐蝕性、高溫強度和出色的熱穩定性。
超級合金如何提高航空航太零件和噴射引擎的性能？
超合金透過三種方式提高引擎效率：最大限度地降低燃料消耗、承受高溫並提高推重比。
渦輪引擎中使用鎳基高溫合金的原因是什麼？
鎳基高溫合金具有熱穩定性、高強度和耐腐蝕等特性，非常適合渦輪引擎應用。
鈷在鈷基高溫合金的性能中扮演什麼角色？
鈷有三大優點：提高耐腐蝕性、改善熱穩定性和提高抗蠕變性。由於這些特性，這些合金在強烈的機械應力和高溫下表現出可靠的性能。
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