高溫合金: 承受渦輪發動機產生的 2700 華氏度熱量，使其更熱、更快、更高效

By Fouad Sabry

什麼是高溫合金

高溫合金或高性能合金是一種能夠在其熔點的高分數下運行的合金。高溫合金的幾個關鍵特性是優異的機械強度、抗熱蠕變變形、良好的表面穩定性以及抗腐蝕或抗氧化性。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：高溫合金

第 2 章：氧化物彌散強化合金

第 3 章：鋁化鈦

第 4 章：合金

第 5 章：材料強度

第 6 章：蠕變（變形）

第 7 章：腐蝕

第 8 章：氧化還原

（二）回答公眾關於高溫合金的熱門問題。

(III) 高溫合金在多個領域的應用實例。

(IV) 17個附錄，簡述各行業266項新興技術，360度全方位了解高溫合金技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何類型高溫合金的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 27, 2022

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神經科學中的新興技術

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機器人技術的新興技術

1 - 群體智慧

10億知識淵博

高溫合金

可承受渦輪發動機產生的 2700 華氏度熱量，使其更熱、更快、更高效

福阿德·薩布里

版權

Superalloy 版權所有 © Fouad Sabry 2021。保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

您可以向 [e-mail] 發送電子郵件，主題為「高溫合金：承受渦輪發動機產生的2700華氏度的熱量，使其更熱，更快，更高效」。，您將收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

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www.1BKOfficial.org

前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是高級中學的學生。

它非常類似於STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術，工程和數學）的學生。該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我看著書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都是用彩色插圖和簡單的文字來解釋的。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它。

所以，我說服父親買了這本百科全書。我父親在我生命之初為我購買了所有的技術工具，第一台計算機和第一本技術百科全書，兩者都對我自己和我的事業產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假里完成了整本百科全書，然後我開始看到宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在的旅程仍在繼續。

這本書是新興技術百科全書的一部分，我試圖給讀者帶來我在高中時的驚人體驗，但我對21世紀的新興技術，應用和行業解決方案更感興趣，而不是 20世紀的技術。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的即將推出部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365本書，讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》中，我都試圖直接從人們的腦海中獲得即時的原始搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。它們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於Superalloy的內容創意的未開發金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速找出每個有用的短語和問題，人們圍繞關鍵字Superalloy提問。

它是人們洞察的金礦，我可以用它來創造新鮮、超有用的內容、產品和服務。善良的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集到的關於人類心理的最重要的數據集。因此，這本書是一個活生生的產品，並且不斷更新越來越多的關於Superalloy的新問題的答案，人們問，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何搜索Superalloy，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並以直接的方式瀏覽這本書。

因此，在寫這本書時，我確保它盡可能地優化和有針對性。本書的目的是幫助人們進一步瞭解和增加他們對「高溫合金」的瞭解。我試圖盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們提出的問題和問題並直接回答它們，併為本書的內容添加洞察力，驗證和創造力 - 甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的研究需求領域，否則我將無法觸及。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法説明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高內容的相關性並賦予其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容，用人們需要的東西填滿書的內容，告別基於猜測的無窮無盡的內容創意。

做出可靠的決策，減少風險，讓前排座位即時瞭解人們想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，包括哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的瞭解所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人認為天才和創新者，因為那些足夠開明的人認為他們可以改變世界，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙。

碑文

高溫合金或高性能合金是一種能夠在其熔點的高分數下操作的合金。高溫合金的幾個關鍵特性是優異的機械強度，抗熱蠕變變形，良好的表面穩定性以及耐腐蝕或氧化。

目錄

高溫合金

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作者系列

高溫合金

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第1章 高溫合金

第2章 氧化物分散強化合金

第3章 鋁化鈦

第4章 合金

第5章 材料強度

第6章 蠕變（變形）

第7章 腐蝕

第8章 氧化還原

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第1章 高溫合金

A picture containing wall, indoor, gear Description automatically generated

鎳基高溫合金噴氣發動機（RB199）渦輪葉片

高溫合金，也稱為高性能合金，是一種可以在其熔點的高分數下工作的合金。高溫合金具有多種關鍵特性，包括高機械強度、抗熱蠕變變形、良好的表面穩定性以及耐腐蝕或抗氧化。

面心立方體（FCC）奧氏體晶體結構很普遍。哈氏合金，鉻鎳鐵合金，Waspaloy，Rene合金，Incoloy，MP98T，TMS合金和CMSX單晶合金是此類合金的例子。

化學和技術進步對於高溫合金的製造至關重要。高溫合金通過固溶強化和沉澱強化從二次相沉澱物（如伽馬素和碳化物）中發展出高溫強度。鋁和鉻等元素提供抗氧化或耐腐蝕性。雖然晶界在低溫下具有強度，但它們降低了高溫合金中的抗蠕變性。

這種合金主要用於航空航太和船用渦輪發動機。蠕變通常是燃氣輪機葉片使用壽命的限制因素。

高溫合金是使許多超高溫工程技術成為可能的材料。

化學開發

由於這些合金用於高溫應用（即在接近其熔點的溫度下保持其形狀），因此它們的蠕變性和抗氧化性是最重要的。鎳基高溫合金因其獨特的γ沉澱物而成為這些應用的首選材料。這些鎳基高溫合金的性能可以通過添加許多其他元素（包括常見和奇異元素）在一定程度上進行定製，不僅包括金屬，還包括類金屬和非金屬;鉻，鐵，鈷，鉬，鎢，鉬，鋁，鈦，鋯，鈯，錸，釪，釩，釩，碳，硼或銫是使用的合金添加劑的一些例子。這些添加物中的每一個都已被選中，以用於優化高溫應用的性能的特定目的。

抗蠕變性部分取決於減慢晶體結構內位錯運動的速度。在現代鎳基高溫合金中，γ'-Ni3（Al，Ti）相的存在充當位錯運動的屏障。因此，這種γ的金屬間相，當以高體積餾分存在時，由於其有序的性質和與γ基體的高度一致性，大大提高了這些合金的強度。鋁和鈦的化學添加促進了γ相的產生。γ的相尺寸可以通過仔細的沉澱強化熱處理來精確控制。許多高溫合金是使用兩相熱處理生產的，該熱處理產生長方體γ顆粒的分散，稱為初級相，這些顆粒之間的精細分散稱為次級γ"。為了提高這些合金的抗氧化性，添加了Al，Cr，B和Y。Al和Cr形成氧化層，鈍化表面並保護高溫合金免受進一步氧化，而B和Y用於改善該氧化垢對基材的附著力。Cr、Fe、Co、Mo和Re都優先分配到基質γ，而Al、Ti、Nb、Ta和V優先分配到γ的沉澱物和固溶體分別增強基質和沉澱物。除了固溶強化外，如果存在晶界，則選擇某些元素進行晶界強化。B和Zr傾向於分離到晶界，這降低了晶界能量，並導致更好的晶界內聚力和延展性。另一種形式的晶界強化是通過添加C和硬質合金成型劑來實現的，例如Cr，Mo，W，Nb，Ta，Ti或Hf，這驅動碳化物在晶界處的析出，從而減少晶界滑動。

積極研究

雖然鎳基高溫合金是優異的高溫材料，並且已被證明非常有用，但與鎳基高溫合金相比，共基高溫合金可能具有優異的耐熱腐蝕性，抗氧化性和耐磨性。出於這個原因，在過去幾年中，人們也努力開發基於共基的高溫合金。儘管如此，傳統的鈷基高溫合金尚未得到廣泛使用，因為它們在高溫下的強度低於鎳基高溫合金。其主要原因是，直到最近，它們似乎缺乏γ的降水強化，而這種強化在鎳基高溫合金的高溫強度中非常重要。2006年關於具有L12結構的亞穩態γ'-Co3（Al，W）金屬間化合物的報告表明，共基合金是傳統鎳基高溫合金的替代品。然而，這類合金在1971年C. S. Lee的博士論文中得到了報導。兩相微觀結構由嵌入連續γ基質中的立方體γ沉澱物組成，因此在形態上與在鎳基高溫合金中觀察到的微觀結構相同。與鎳基系統一樣，兩相之間存在高度的一致性，這是導致在高溫下具有優越強度的主要因素之一。

這為開發一類新型承重共基高溫合金提供了途徑，用於惡劣環境。在這些合金中，W是形成γ金屬間化合物的關鍵添加劑;這使得它們比鎳基高溫合金更緻密（>9.6 g/cm³）。 最近，一類新的γ - γ鈷基高溫合金已經開發出來，這些高溫合金不含W，並且密度遠低於鎳基高溫合金。除了這些新型鈷基高溫合金的許多性能可能比更傳統的鎳基高溫合金更好之外，Co還具有比鎳更高的熔化溫度。因此，如果可以提高高溫強度，新型鈷基高溫合金的開發可以提高噴氣發動機的工作溫度，從而提高效率。

相形成

由於固溶強化，添加新元素通常是好的，但工程師需要小心哪些相析出。沉澱物可分為幾何緊密堆積（GCP），拓撲緊密堆積（TCP）或碳化物。GCP相通常有利於機械性能，但TCP相通常是有害的。由於 TCP 相位不是真正緊密打包的，因此它們的滑動系統很少，並且非常脆弱。它們還很糟糕，因為它們從GCP相中清除元素。許多有利於形成γ「或具有良好固溶強化的元素可能會沉澱TCP。工程師需要找到在避免TCP的同時促進GCP的平衡。

具有TCP相形成的合金區域將很弱，因為：

TCP相位具有固有的不良機械性能

TCP 階段與γ矩陣不相干

TCP階段被一個耗盡區包圍，其中沒有γ"

TCP形態通常形成尖銳的板狀或針狀形態，容易成核裂紋。

主要的GCP階段是γ」。。由於這個相，幾乎所有的高溫合金都是鎳基的。γ'是一個有序的L12（ 發音為L-one-two），這意味著它在晶胞的表面上有一個特定的原子，在晶胞的角落上有一個特定的原子。對於鎳基高溫合金，這通常意味著Ni在面上，Ti或Al在角落。

另一個好的GCP階段是γ"'它也與γ相干，但它在高溫下溶解。

高溫合金家族

鎳基高溫合金的歷史與發展

美國在1905年左右對燃氣輪機的發展產生了興趣。從1910年到1915年，奧氏體（γ相）不鏽鋼被開發用於燃氣輪機的高溫。到1929年，80Ni-20Cr合金成為標準，少量添加了Ti和Al。雖然早期的冶金學家還不知道，但他們在鎳基高溫合金中形成了小的γ沉澱物。這些合金迅速超越了Fe-和Co基高溫合金，後者通過碳化物和固溶體強化而得到加強。

雖然Cr非常適合保護合金免受氧化和腐蝕，但冶金學家開始降低Cr，轉而使用Al，Al在更高的溫度下具有抗氧化性。Cr的缺乏導致了熱腐蝕的問題，因此需要開發塗層。

真空熔煉在1950年左右開始商業化，使冶金學家能夠製造出成分更精確的更高純度的合金。

冶金學家在20世紀60年代和70年代將重點從合金化學轉向合金加工。為了實現柱狀甚至單晶渦輪葉片，創建了定向凝固。氧化物分散強化可能導致 超塑性和 極小的顆粒。

鎳基高溫合金相

伽馬（γ）：該相組成鎳基高溫合金的基質。它是合金元素的固溶FCC奧氏體相。在大多數商業鎳基合金中發現的合金元素是C，Cr，Mo，W，Nb，Fe，Ti，Al，V和Ta。在這些材料的形成過程中，當鎳合金從熔體中冷卻時，碳化物開始沉澱，在更低的溫度下γ相沉澱。

伽瑪底色（γ』）：該相構成用於強化合金的沉澱物。它是一種基於Ni3（Ti，Al）的金屬間相，具有有序的FCC L12結構。γ「相與高溫合金的基質相干，其晶格參數變化約0.5%。Ni3（Ti，Al）是有序系統，Ni原子位於立方體面，Al或Ti原子位於立方體邊緣。當γ粒子沉澱聚集體時，它們通過沿著<100>方向排列形成長方體結構來降低其能量狀態。該相在600°C至850°C之間具有不穩定視窗，其中γ"將轉變為HCP η相。對於溫度低於