Inconel 718 - 鎳基高溫合金的特性是什么 - 定義

Inconel 718 是一種鎳基高溫合金，具有高強(qiáng)度特性和耐高溫性。它還顯示出顯著的抗腐蝕和抗氧化保護(hù)。

高溫合金 - 鉻鎳鐵合金 - 渦輪葉片高溫合金或高性能合金是在高溫下表現(xiàn)出出色強(qiáng)度和表面穩(wěn)定性的有色合金。它們能夠在較高的熔點(diǎn)下安全運(yùn)行（高達(dá) 85% 的熔點(diǎn) (T m )，以開(kāi)爾文度數(shù)表示，0.85）是它們的關(guān)鍵特性。高溫合金通常在高于 540 °C (1000 °F) 的溫度下使用，因?yàn)樵谶@些溫度下普通鋼和鈦合金正在失去其強(qiáng)度，在此溫度下鋼中也很常見(jiàn)腐蝕。在高溫下，高溫合金保持機(jī)械強(qiáng)度、抗熱蠕變變形、表面穩(wěn)定性和抗腐蝕或抗氧化性。一些鎳基高溫合金可以承受超過(guò) 1200°C 的溫度，具體取決于合金的成分。高溫合金通常以單晶形式鑄造，雖然晶界可以提供強(qiáng)度，但它們會(huì)降低抗蠕變性。

概括

它們最初是為用于飛機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器而開(kāi)發(fā)的。今天，最常見(jiàn)的應(yīng)用是飛機(jī)渦輪部件，它必須在合理的時(shí)間段內(nèi)承受?chē)?yán)重氧化環(huán)境和高溫。目前的應(yīng)用包括：

• 飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)

• 汽輪機(jī)發(fā)電廠

• 醫(yī)療應(yīng)用

• 航天器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

• 熱處理設(shè)備

• 核電廠

鎳是高溫合金的基本元素，高溫合金是一組用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳、鐵鎳和鈷合金。這些金屬具有出色的抗熱蠕變變形能力，并在遠(yuǎn)高于其他航空航天結(jié)構(gòu)材料的溫度下保持其剛度、強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性。

55%

21%

14%

鎳基高溫合金

目前，鎳基高溫合金占先進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量的 50% 以上。鎳基高溫合金包括固溶強(qiáng)化合金和時(shí)效硬化合金。時(shí)效硬化合金由奧氏體 (fcc) 基體組成，基體中分散有 Ni 3的相干沉淀(Al,Ti) 金屬間化合物，具有 fcc 結(jié)構(gòu)。鎳基超合金是以鎳為主要合金元素的合金，在前面討論的應(yīng)用中，鎳基超合金優(yōu)選作為葉片材料，而不是鈷或鐵基超合金。對(duì)于鎳基高溫合金來(lái)說(shuō)，重要的是它們?cè)诟邷叵碌母邚?qiáng)度、抗蠕變性和耐腐蝕性。通常以定向凝固形式或單晶形式鑄造渦輪葉片。單晶葉片主要用于渦輪級(jí)的第一排。

鉻鎳鐵合金 718

一般來(lái)說(shuō)，Inconel是 Special Metals 的注冊(cè)商標(biāo)，用于奧氏體鎳鉻基高溫合金家族。Inconel 718是一種鎳基高溫合金，具有高強(qiáng)度特性和耐高溫性。它還顯示出顯著的抗腐蝕和抗氧化保護(hù)。Inconel 的高溫強(qiáng)度是通過(guò)固溶強(qiáng)化或沉淀硬化來(lái)提高的，具體取決于合金。Inconel 718 由 55% 的鎳、21% 的鉻、6% 的鐵和少量的錳、碳和銅組成。

高溫合金的常見(jiàn)用途是航空航天和其他一些高科技行業(yè)。這種高溫合金結(jié)合了耐腐蝕性和面對(duì)端高溫的材料強(qiáng)度，在核工業(yè)中表現(xiàn)良好。一些核電站將鎳基高溫合金用于反應(yīng)堆芯、控制棒和類(lèi)似部件。在核工業(yè)中，尤其是使用低鈷高溫合金（由于可能激活鈷 59）。核燃料組件的一些結(jié)構(gòu)部件，例如頂部和底部噴嘴，可以由諸如鉻鎳鐵合金的超級(jí)合金制成。間隔網(wǎng)格通常由具有低吸收熱中子截面的耐腐蝕材料制成，通常是鋯合金（~ 0.18 × 10 –24厘米2）。第一個(gè)和最后一個(gè)間隔網(wǎng)格也可以由低鈷鉻鎳鐵合金制成，這是一種非常適合在承受壓力和熱量的極環(huán)境中使用的超合金。

熱蠕變

蠕變，也稱(chēng)為冷流，是在恒定載荷或應(yīng)力下隨時(shí)間增加的久變形。它是由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在較大的外部機(jī)械應(yīng)力下而導(dǎo)致屈服極限，并且在長(zhǎng)時(shí)間受熱的材料中更為嚴(yán)重。變形率是材料特性、暴露時(shí)間、暴露溫度和施加的結(jié)構(gòu)載荷的函數(shù)。如果我們在高溫下使用材料，蠕變是一個(gè)非常重要的現(xiàn)象。蠕變?cè)陔娏I(yè)中非常重要，在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中具有高的重要性。對(duì)于許多壽命相對(duì)較短的蠕變情況（例如渦輪葉片在用飛機(jī)中），破裂時(shí)間是主要的設(shè)計(jì)考慮因素。當(dāng)然，為了確定它，蠕變?cè)囼?yàn)必須進(jìn)行到失效點(diǎn)；這些被稱(chēng)為蠕變斷裂試驗(yàn)。

材料的抗蠕變性受許多因素影響，例如擴(kuò)散率、析出物和晶粒尺寸。一般來(lái)說(shuō)，有三種防止金屬蠕變的一般方法。一種方法是使用熔點(diǎn)較高的金屬，第二種方法是使用晶粒尺寸更大的材料，第三種方法是使用合金化。體心立方 (BCC) 金屬在高溫下的抗蠕變性較差。因此，基于 Co、Ni 和 Fe 的超合金（通常是面心立方奧氏體合金）能夠被設(shè)計(jì)成具有高抗蠕變性，因此已成為高溫環(huán)境中的理想材料。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

最嚴(yán)重的冶金問(wèn)題之一，也是核工業(yè)中主要關(guān)注的問(wèn)題之一是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是施加的拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用的結(jié)果，這兩種影響都是必要的。SCC是一種晶間腐蝕腐蝕，在拉應(yīng)力作用下發(fā)生在晶界。低合金鋼比高合金鋼不易受到影響，但它們?cè)诤新入x子的水中易發(fā)生 SCC。然而，鎳基合金不受氯離子或氫氧根離子的影響。耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的鎳基合金的一個(gè)例子是鉻鎳鐵合金。

高溫合金的特性 – Inconel 718

材料屬性是密集屬性，這意味著它們與質(zhì)量無(wú)關(guān)，并且可能隨時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)因地而異。材料科學(xué)的基礎(chǔ)涉及研究材料的結(jié)構(gòu)，并將它們與其特性（機(jī)械、電氣等）聯(lián)系起來(lái)。一旦材料科學(xué)家了解了這種結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性，他們就可以繼續(xù)研究材料在給定應(yīng)用中的相對(duì)性能。材料結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的主要決定因素是其組成化學(xué)元素以及將其加工成最終形式的方式。

高溫合金的機(jī)械性能 – Inconel 718

材料經(jīng)常被選擇用于各種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂欣硐氲臋C(jī)械特性組合。對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，材料特性至關(guān)重要，工程師必須將其考慮在內(nèi)。

高溫合金的強(qiáng)度 – Inconel 718

在材料力學(xué)中，材料的強(qiáng)度是其承受外加載荷而不失效或塑性變形的能力。材料的強(qiáng)度基本上考慮了施加在材料上的外部載荷與材料尺寸的變形或變化之間的關(guān)系。材料的強(qiáng)度是其承受該施加載荷而不會(huì)失效或塑性變形的能力。

極限抗拉強(qiáng)度

高溫合金的極限抗拉強(qiáng)度——Inconel 718 取決于熱處理工藝，但約為 1200 MPa。

極限抗拉強(qiáng)度是工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上的最大值。這對(duì)應(yīng)于最大應(yīng)力可以由處于張力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)來(lái)支撐。極限抗拉強(qiáng)度通常簡(jiǎn)稱(chēng)為“抗拉強(qiáng)度”，甚至簡(jiǎn)稱(chēng)為“極限”。如果施加并保持這種應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致斷裂。通常，該值明顯高于屈服應(yīng)力（比某些類(lèi)型的金屬的屈服強(qiáng)度高 50% 到 60%）。當(dāng)韌性材料達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)，它會(huì)在橫截面積局部減小的地方發(fā)生頸縮。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)不包含高于極限強(qiáng)度的應(yīng)力。即使變形可以繼續(xù)增加，應(yīng)力通常會(huì)在達(dá)到極限強(qiáng)度后減小。這是一個(gè)密集的財(cái)產(chǎn)；因此它的值不取決于試樣的大小。但是，它取決于其他因素，例如標(biāo)本的制備，測(cè)試環(huán)境和材料的溫度。極限抗拉強(qiáng)度從鋁的 50 MPa 到超高強(qiáng)度鋼的高達(dá) 3000 MPa 不等。

屈服強(qiáng)度

高溫合金的屈服強(qiáng)度——Inconel 718 取決于熱處理工藝，但約為 1030 MPa。

屈服點(diǎn)是應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上指示彈性行為極限和開(kāi)始塑性行為的點(diǎn)。屈服強(qiáng)度或屈服應(yīng)力是定義為材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力的材料特性，而屈服點(diǎn)是非線(xiàn)性（彈性+塑性）變形開(kāi)始的點(diǎn)。在屈服點(diǎn)之前，材料將發(fā)生彈性變形，并在移除施加的應(yīng)力時(shí)恢復(fù)其原始形狀。一旦超過(guò)屈服點(diǎn)，部分變形將是久性的且不可逆的。一些鋼和其他材料表現(xiàn)出一種稱(chēng)為屈服點(diǎn)現(xiàn)象的行為。屈服強(qiáng)度從低強(qiáng)度鋁的 35 MPa 到超高強(qiáng)度鋼的大于 1400 MPa 不等。

楊氏彈性模量

高溫合金的楊氏彈性模量 - Inconel 718 為 200 GPa。

楊氏彈性模量是單軸變形的線(xiàn)性彈性狀態(tài)下拉伸和壓縮應(yīng)力的彈性模量，通常通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)評(píng)估。達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，物體將能夠在移除負(fù)載時(shí)恢復(fù)其尺寸。施加的應(yīng)力導(dǎo)致晶體中的原子從它們的平衡位置移動(dòng)。所有原子的位移量相同，但仍保持其相對(duì)幾何形狀。當(dāng)應(yīng)力消除時(shí)，所有原子都回到原來(lái)的位置，不會(huì)發(fā)生久變形。根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比（在彈性區(qū)域），斜率是楊氏模量. 楊氏模量等于縱向應(yīng)力除以應(yīng)變。

高溫合金的硬度 – Inconel 718

高溫合金的布氏硬度 – Inconel 718 取決于熱處理工藝，但約為 330 MPa。

在材料科學(xué)中，硬度是承受表面壓痕（局部塑性變形）和刮擦的能力。硬度可能是定義最不明確的材料特性，因?yàn)樗赡鼙硎究箘潅⒖鼓p、抗壓痕甚至抗成型或局部塑性變形。從工程的角度來(lái)看，硬度很重要，因?yàn)閷?duì)摩擦或蒸汽、油和水侵蝕的耐磨性通常會(huì)隨著硬度的增加而增加。

布氏硬度測(cè)試是壓痕硬度測(cè)試之一，已開(kāi)發(fā)用于硬度測(cè)試。在布氏測(cè)試中，一個(gè)堅(jiān)硬的球形壓頭在特定載荷下被壓入待測(cè)金屬表面。典型測(cè)試使用直徑為 10 毫米（0.39 英寸）的 硬化鋼球作為壓頭，力為 3,000 千克力（29.42 千牛；6,614 磅）。負(fù)載在定時(shí)間（10 到 30 秒之間）保持恒定。對(duì)于較軟的材料，使用較小的力；對(duì)于較硬的材料，用碳化鎢球代替鋼球。

該測(cè)試提供數(shù)值結(jié)果來(lái)量化材料的硬度，用布氏硬度值- HB表示。布氏硬度值由常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E10-14[2] 和 ISO 6506–1:2005）定為 HBW（H 來(lái)自硬度，B 來(lái)自布氏硬度，W 來(lái)自壓頭材料鎢（鎢）碳化物）。在以前的標(biāo)準(zhǔn)中，HB 或 HBS 用于指代用鋼壓頭進(jìn)行的測(cè)量。

布氏硬度值(HB) 是載荷除以壓痕的表面積。印模的直徑是用帶有疊加刻度的顯微鏡測(cè)量的。布氏硬度值由下式計(jì)算：

有多種常用的測(cè)試方法（例如布氏、努氏、維氏和洛氏）。有可用的表格將來(lái)自不同測(cè)試方法的硬度值關(guān)聯(lián)起來(lái)，其中關(guān)聯(lián)適用。在所有尺度中，高硬度值代表硬金屬。

高溫合金的熱性能 – Inconel 718

材料的熱性能 是指材料對(duì)其 溫度變化和熱應(yīng)用的響應(yīng)。當(dāng)固體以熱的形式吸收能量時(shí)，它的溫度會(huì)升高，尺寸也會(huì)增加。但是不同的材料對(duì)加熱的反應(yīng)不同。

熱容量、熱膨脹和熱導(dǎo)率是在固體的實(shí)際使用中通常很關(guān)鍵的屬性。

高溫合金的熔點(diǎn) – Inconel 718

高溫合金的熔點(diǎn)——Inconel 718 鋼的熔點(diǎn)約為 1400°C。

通常， 熔化 是 物質(zhì)從固相到液相的相變。物質(zhì)的 熔點(diǎn) 是發(fā)生這種相變的溫度。熔點(diǎn) 還定義了固體和液體可以平衡存在的條件。

高溫合金的熱導(dǎo)率 - Inconel 718

高溫合金 - Inconel 718 的熱導(dǎo)率為 6.5 W/(mK)。

固體材料的傳熱特性由稱(chēng)為 熱導(dǎo)率k（或 λ）的屬性測(cè)量，單位為 W/mK。它是衡量物質(zhì)通過(guò) 傳導(dǎo)通過(guò)材料傳遞熱量的能力的量度。請(qǐng)注意， 傅立葉定律 適用于所有物質(zhì)，無(wú)論其狀態(tài)如何（固體、液體或氣體），因此，它也適用于液體和氣體。（此文轉(zhuǎn)載）