镍基复合材料57-1.docVIP

镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。 镍基复合材料主要用于液体火箭发动机中的全流循环发动机。这种发动机的涡轮部件要求材料在一定温度下具有高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、与氧相容。在目前正在研制的系统中这些部件选用镍基高温合金。虽然用SiC 颗粒或纤维增强的复合材料可以达到高强度、高刚度和抗蠕变。但在全流循环发动机的富氧驱动气体环境下，这些材料不能兼顾与氧的相容性。发动机起动瞬变过程的热冲击环境，排除了涡轮叶片采用加涂层的材料系的可能。 因此，用整体材料制作的涡轮叶片，必须经受住富氧燃烧产物所形成的环境。因为涡轮部件和涡轮盘在大约9min 运行中一般不用冷却，所以在短时运行中，整体材料温度达到730℃是正常的。对某些设计，希望密度低于6.5g/cm3 的材料的强度要大于1040MPa。应力、温度和化学环境都十分苛刻，要延长维修平均间隔时间(MTBR)使这些材料性能目标更难达到。其它非旋转部件也必须经受住极端运行环境的考验。喷注器面板、喷注壳体和预燃烧器在高温下都必须抗氧化、耐腐蚀、抗氢脆。喷嘴调节和控制流入主燃烧室的推进剂流量。预燃烧室是个小型燃烧室。在这个燃烧室里，产生涡轮驱动气体。在目前一些系统(其中一些被有效冷却)中，这些部件使用钴合金。未来发动机的这些部件，预计有极端的热环境(气体温度接近918℃)和高达62MPa 的压力。Si3N4 整体材料正在用作喷嘴壳体，但陶瓷壳体与金属推力室的匹配困难还没有解决。由于喷嘴壳体的形状是轴对称的，所以早就有人建议这种壳体采用连续纤维增强的复合材料，但部件的匹配条件向连续纤维增强的复合材料提出挑战。 以下为两种比较典型的镍基复合材料及其主要性能： （一）、镍基变形高温合金 以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH” 加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合金3类。 用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。 合金元素的作用： 铬在镍基变形高温合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蚀能力。20世纪40～50年代发展的镍 基变形高温合金中铬含量高达18%～20%，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%～12%。过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力 固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、 钼、钴等元素。弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。 组织特点 ： 主要的强化相是γ′(Ni3Al)相，含量达20%～55%左右。另一类强化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡献远大于γ′相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。 加工方法： 变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含γ′相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。 镍基铸造高温合金 以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、 K2等。随着使用温度和强度的提高，高温合 金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产。这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。 添加元素及作用 ： 镍基铸造高温合金以γ相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成γ′相进行强化，γ′相数量较 多，有的合金高达60%；加入钴能提高γ′相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ′相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。 缺点及克服方法 （1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用中组织稳定性有所下降； （2）存在疏松，性能波动较大。 应用：镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。 镍基复合材料在水环境中的摩擦学性能及磨损机理研究 复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦降低了一半左右，磨损率仅为干摩擦下的1／15，水环境中，负荷和速度的变化对摩擦系数的影响不大，摩擦系数基本保