合金元素对DZ445合金高温氧化行为的影响(3)

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目前,定向凝固高温合金和单晶高温合金已经投入到了各领域的实际使用中。DS（定向凝固柱晶叶片）相比同类的普通铸造叶片,在机械性能上有显著提高，比如抗疲劳性能是普通铸造叶片的8倍,持久寿命和持久塑性分别提高2倍和4倍。而消除了晶界由单个晶粒长到形成的SO（单晶叶片）在性能上提高得更多。

正如之前提到的垂直于主应力的晶界更容易产生裂纹导致破坏,而定向凝固合金采用定向凝固的方法使晶粒沿同一方向生长,使用时使主应力不垂直于晶界减少破坏。为了达到此目的,合金在结晶过程中要满足以下两个基本要求:①在铸件的整个凝固成型过程当中要保证固-液相界上的热流沿同一方向扩散,即定向散热;②阻止结晶前沿区域形成新的晶核,为了达到次目的必须使结晶前沿区域维持正向温度梯度。举个例子,就立方晶系的金属而言,<100>是晶粒长大的择优方向,这个方向上晶粒的长大速度最快。定向凝固时,将熔融态金属注入模壳中,将模壳直接浸入以液态金属作为冷却介质的冷却剂中,铸件经模壳底部的选晶器定向凝固后,只允许特定取向的晶粒长大,直至晶粒长大充满整个模壳。这种方法是现在比较主流的定向凝固法,即液态金属冷却法（LMC法）。这种方法满足了定向凝固必须满足的两个基本要求。这样,只要能维持凝固条件保持不变,直至晶粒长大充满整个模壳就能得到整个叶片。

1.2.2 单晶高温合金

虽然早在60年代单晶高温合金制成的涡轮叶片就已经问世，但是由于工艺和设计等原因并没有得到发展，直至70年代才受到重视活跃发展起来。

众所周知常温情况下可以通过细化晶粒使材料得到强化，但高温合金通常在600℃以上的环境下工作，在高温情况下晶界会弱化发生沿晶断裂。单晶高温合金的研制成功解决了这一问题。

由于单晶高温合金是由单个晶粒长大而成的合金，这种合金没有晶界，所以无需加入强化晶界的元素来强化晶界，其成分简单为高温合金的成分设计提供了某些方便条件。它可以提高初熔温度（ 1288℃）：具有高的相溶解温度（ 1260℃），为获得高的蠕变强度提供了可能性：固溶温度高，可以使相完全溶解并且大大减少了枝状晶偏析来改善组织与性能。

1.3 不同基体的高温合金

1.3.1 铁基高温合金

铁基高温合金是以铁为基体加入一定量的Cr和Ni的奥氏体合金,根据18-8型奥氏体不锈钢改变化学成分发展而来。它的使用温度一般比镍基高温合金低,一般为600℃~850℃。涡轮盘作为燃气涡轮发动机的热端部件，涡轮盘需要承受高温（一般在750℃以下）环境下很高的轮缘载荷,同时涡轮盘本身也以高转速运作,工作条件苛刻。铁基高温合金满足涡轮盘的工作需求,因此在作为涡轮盘的金属材料中铁基高温合金占有相当大的比重。

从合金的成分上来看，铁基高温合金仍以Fe-Cr-Ni为主体；如，Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni和Fe-15Cr-45Ni，有时为了节镍在合金中加锰代镍。为了提高合金的抗氧化能力，在有的合金中将铬含量提高到20％。铝和钨仍是铁基高温合金固溶强化的主要合金元素，为提高其使用温度，铝和钨的总含量可高达10％以上。钛、铝、铌、钒是析出相强化的主要合金元素。以碳化物强化的铁基高温合金含碳量可高达0.3％~0.6％，而以γ’和γ”相强化的合金，采用低碳和高钛、铝、铌含量。硼、锆、铈、镁等微量元素亦广泛地作为晶界强化元素在铁基高温合金中应用。微量的氮在铁基高温合金中有时可以起一部分固溶强化作用。有时细微弥散分布的氮化物对以碳（氮）化物强化的合金也有一定的益处，然而形成大块夹杂物则是有害的。铁基高温合金中，由于硅易于形成脆性的硅化物，故应加以控制。作为高温材料，合金中的有害气体和杂质成分也应严加控制。