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。

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)出出色強度和表面穩(wěn)定性的有色合金。它們能夠在較高的熔點下安全運行（高達 85% 的熔點 (T m )，以開爾文度數(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，因為在這些溫度下普通鋼和鈦合金正在失去其強度，在此溫度下鋼中也很常見腐蝕。在高溫下，高溫合金保持機械強度、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 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度，但它們會降低抗蠕變性。

概括

它們最初是為用于飛機活塞發(fā)動機渦輪增壓器而開發(fā)的。今天，最常見的應(yīng)用是飛機渦輪部件，它必須在合理的時間段內(nèi)承受嚴重氧化環(huán)境和高溫。目前的應(yīng)用包括：

• 飛機燃氣輪機

• 汽輪機發(fā)電廠

• 醫(yī)療應(yīng)用

• 航天器和火箭發(fā)動機

• 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)動機的鎳、鐵鎳和鈷合金。這些金屬具有出色的抗熱蠕變變形能力，并在遠高于其他航空航天結(jié)構(gòu)材料的溫度下保持其剛度、強度、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飛機發(fā)動機重量的 50% 以上。鎳基高溫合金包括固溶強化合金和時效硬化合金。時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。對于鎳基高溫合金來說，重要的是它們在高溫下的高強度、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的第一排。

鉻鎳鐵合金 718

一般來說，Inconel是 Special Metals 的注冊商標，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。Inconel 的高溫強度是通過固溶強化或沉淀硬化來提高的，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端高溫的材料強度，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）。第一個和最后一個間隔網(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，也稱為冷流，是在恒定載荷或應(yīng)力下隨時間增加的久變形。它是由于長時間暴露在較大的外部機械應(yīng)力下而導致屈服極限，并且在長時間受熱的材料中更為嚴重。變形率是材料特性、暴露時間、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，蠕變是一個非常重要的現(xiàn)象。蠕變在電力工業(yè)中非常重要，在噴氣發(fā)動機的設(shè)計中具有高的重要性。對于許多壽命相對較短的蠕變情況（例如渦輪葉片在用飛機中），破裂時間是主要的設(shè)計考慮因素。當然，為了確定它，蠕變試驗必須進行到失效點；這些被稱為蠕變斷裂試驗。

材料的抗蠕變性受許多因素影響，例如擴散率、析出物和晶粒尺寸。一般來說，有三種防止金屬蠕變的一般方法。一種方法是使用熔點較高的金屬，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)力腐蝕開裂

最嚴重的冶金問題之一，也是核工業(yè)中主要關(guān)注的問題之一是應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)。應(yīng)力腐蝕開裂是施加的拉應(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，但它們在含有氯離子的水中易發(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)力腐蝕開裂的鎳基合金的一個例子是鉻鎳鐵合金。

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)量無關(guān)，并且可能隨時在系統(tǒng)內(nèi)因地而異。材料科學的基礎(chǔ)涉及研究材料的結(jié)構(gòu)，并將它們與其特性（機械、電氣等）聯(lián)系起來。一旦材料科學家了解了這種結(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元素以及將其加工成最終形式的方式。

高溫合金的機械性能 – Inconel 718

材料經(jīng)常被選擇用于各種應(yīng)用，因為它們具有理想的機械特性組合。對于結(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)。

高溫合金的強度 – Inconel 718

在材料力學中，材料的強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。材料的強度是其承受該施加載荷而不會失效或塑性變形的能力。

極限抗拉強度

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

極限抗拉強度是工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的最大值。這對應(yīng)于最大應(yīng)力可以由處于張力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)來支撐。極限抗拉強度通常簡稱為“抗拉強度”，甚至簡稱為“極限”。如果施加并保持這種應(yīng)力，就會導致斷裂。通常，該值明顯高于屈服應(yīng)力（比某些類型的金屬的屈服強度高 50% 到 60%）。當韌性材料達到其極限強度時，它會在橫截面積局部減小的地方發(fā)生頸縮。應(yīng)力-應(yīng)變曲線不包含高于極限強度的應(yīng)力。即使變形可以繼續(xù)增加，應(yīng)力通常會在達到極限強度后減小。這是一個密集的財產(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，例如標本的制備，測試環(huán)境和材料的溫度。極限抗拉強度從鋁的 50 MPa 到超高強度鋼的高達 3000 MPa 不等。

屈服強度

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

屈服點是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上指示彈性行為極限和開始塑性行為的點。屈服強度或屈服應(yīng)力是定義為材料開始塑性變形的應(yīng)力的材料特性，而屈服點是非線性（彈性+塑性）變形開始的點。在屈服點之前，材料將發(fā)生彈性變形，并在移除施加的應(yīng)力時恢復其原始形狀。一旦超過屈服點，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)出一種稱為屈服點現(xiàn)象的行為。屈服強度從低強度鋁的 35 MPa 到超高強度鋼的大于 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性彈性狀態(tài)下拉伸和壓縮應(yīng)力的彈性模量，通常通過拉伸試驗來評估。達到極限應(yīng)力時，物體將能夠在移除負載時恢復其尺寸。施加的應(yīng)力導致晶體中的原子從它們的平衡位置移動。所有原子的位移量相同，但仍保持其相對幾何形狀。當應(yīng)力消除時，所有原子都回到原來的位置，不會發(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，因為它可能表示抗劃傷、抗磨損、抗壓痕甚至抗成型或局部塑性變形。從工程的角度來看，硬度很重要，因為對摩擦或蒸汽、油和水侵蝕的耐磨性通常會隨著硬度的增加而增加。

布氏硬度測試是壓痕硬度測試之一，已開發(fā)用于硬度測試。在布氏測試中，一個堅硬的球形壓頭在特定載荷下被壓入待測金屬表面。典型測試使用直徑為 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）。負載在定時間（10 到 30 秒之間）保持恒定。對于較軟的材料，使用較小的力；對于較硬的材料，用碳化鎢球代替鋼球。

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

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量的。布氏硬度值由下式計算：

有多種常用的測試方法（例如布氏、努氏、維氏和洛氏）。有可用的表格將來自不同測試方法的硬度值關(guān)聯(lián)起來，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 是指材料對其 溫度變化和熱應(yīng)用的響應(yīng)。當固體以熱的形式吸收能量時，它的溫度會升高，尺寸也會增加。但是不同的材料對加熱的反應(yīng)不同。

熱容量、熱膨脹和熱導率是在固體的實際使用中通常很關(guān)鍵的屬性。

高溫合金的熔點 – Inconel 718

高溫合金的熔點——Inconel 718 鋼的熔點約為 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 是發(fā)生這種相變的溫度。熔點 還定義了固體和液體可以平衡存在的條件。

高溫合金的熱導率 - Inconel 718

高溫合金 - Inconel 718 的熱導率為 6.5 W/(mK)。

固體材料的傳熱特性由稱為 熱導率k（或 λ）的屬性測量，單位為 W/mK。它是衡量物質(zhì)通過 傳導通過材料傳遞熱量的能力的量度。請注意， 傅立葉定律 適用于所有物質(zhì)，無論其狀態(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）