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跟随美扬涂界 解密耐高温涂料(二)
来源:美扬时代 时间:2022年04月15日

俗话说:“真金不怕火炼!”常规材料在严苛的高温环境下会在短时间内被破坏得体无完肤,因此我们必须严格筛选能适应于高温环境的基材。

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在工业应用中,虽然非金属材料,如单片陶瓷和陶瓷复合材料正在进入高温材料这些应用领域,但对高温材料的需求主要还是由金属合金来满足。选择合金是因为其熔点高、强度高(抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度)、延展性和韧性好。尽管许多金属合金在电气工业、电子、医疗设备和假肢设备有专门的应用,但以铝、钛、铁、镍和钴为基础的五组合金支持了工业过程的大部分需求。这类合金的比强度(强度/密度)随温度的变化范围如图1所示。

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图1几种典型合金的耐温能力。

从图中可以清楚地看出,铝的低熔点为660°C,其温度能力限制在150°C左右,不满足高温应用的要求。唯一与我们的兴趣相关的合金是镍和钴基合金,在某种程度上是钛合金和钢。

  纯金属比强度较弱,没有足够的环境抗性。因此,它们必须通过各种机制增强,并通过表面处理以适应环境。如下表:

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通过强化可以得到以下合金:

钛合金

钛及其合金具有非常吸引人的结构性能。该金属的密度4.54g/cm²较低,约为钢和镍、钴基超级合金的60%;高熔点(1668℃);以及优异的耐腐蚀性。钛合金由于其高强度和低密度,被广泛应用于燃气轮机发动机的风扇叶片、压缩机叶片、圆盘和外壳。

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根据碳含量,钢可分为低碳(<0.25%)、中碳(0.25-0.60%)和高碳(0.60%)钢。

为了实现钢的微观结构、强度和延性的最佳组合,使用TTT(时间温度转换)图开发了热处理方案。

一些市售的钢材如下:

高强度低碳合金钢(HSLA):这些低碳钢的强化源自固溶溶液(C、Mn、Si)、沉淀硬化(Nb、Ti和V的碳化物)、由晶界碳化物稳定的晶粒尺寸控制以及加工诱导的纹理。典型的抗拉强度和失效应变分别为700MPa和12%-18%。

贝氏体钢:这种钢由胶质体在应变铁素体基体中的精细分散组成。贝氏体钢是通过使用250℃和550℃之间进行适当的等温热处理生产的。典型的抗拉强度和失效应变分别为600-1200MPa和15%-20%。

双相钢:这些低碳(0.1-0.2%)钢包含两相,在铁氧体基体中精细分散占体积10-20%。通过加热到一个相场形成10-20%的奥氏体,然后快速淬火转化为马氏体,来实现微观结构和相含量。这些钢具有中等到高的抗拉强度和高延性。

TRIP(变形诱导的塑性)钢:在这些钢中,奥氏体在室温下通过保持快速淬火,然后在加工过程中发生机械变形而保留在合金中。在负载下使用或测试时,奥氏体相转变为马氏体,提供了加固机制。在600-1300MPa范围内的拉伸强度和25%-40%的失效应变并不少见。

在应力应用中,钢的温度能力受强度和环境抗性的控制,一般限制在650℃。

镍铁合金

这是一类含15%-60%铁和含25%-60%镍的合金,以奥氏体的fcc结构为基体,通过固溶沉淀物和晶界增强。这些合金比镍和钴基超合金更便宜。通过不同的镍铁含量控制温度应用范围在650℃到1100℃之间。

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镍和钴基超合金

这是一种独特的以镍和钴为基础的复合合金,它不仅表现出非常高的强度,而且在广泛的高温度范围内保持强度,因此被称为“超级合金”。其中一些合金用于≥80%熔点的承重应用!这两种金属具有吸引力,因为它们的高熔点和易于合金的晶体结构。镍表现为面心立方体晶体结构,而钴在室温下为六方密堆结构。添加的元素通常用于稳定面心立方体晶体结构形式中的钴。可以利用许多强化机制生产实用的镍钴合金。

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陶瓷、耐火金属化合物和复合材料

陶瓷材料是由金属元素和非金属元素组成的化合物。它们的原子间键通常是离子键(Al2O3)或具有一些共价特性的离子键(SiC、Si3N4)。一些陶瓷有适当的组织控制结构,如通过高强度和定向耐火相(定向纤维、细长颗粒)进行加固,具有高熔点、良好的机械强度、抗氧化性和耐腐蚀性,以及可接受的断裂韧性。其中一些陶瓷和复合材料在高温环境中得到了越来越多的应用。其中包括耐火金属硅化物,如硅化铌及其复合材料。

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未完待续!下一节将和大家分享高温涂层的相关信息,尽情期待!

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