GH4090高溫合金熱處理方式和特點(K414高溫合金)
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2、K414高溫合金
GH4090高溫合金熱處理方式和特點
GH4090是Ni-Cr-Co基沉淀硬化型變形高溫合金,使用溫度高達920℃。
合金在815870℃具有較高的抗拉強度和抗蠕變能力、良好的抗氧化和耐腐蝕性能,在冷熱反復交替作用下有較高的疲勞強度。
適合制作航空渦輪發動機渦輪盤、葉片、高溫緊固件、卡箍、密封圈及彈性元件等。
GH4090高溫合金已用于制作航空發動機高溫彈簧原件、高溫緊固件、燃燒室卡圈和止動銷等零部件。
相近牌號在國外還用于制作航空發動機渦輪工作葉片、渦輪盤等零部件。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料;并具有較高的高溫強度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。
高溫合金為單一奧氏體組織,在各種溫度下具有良好的組織穩定性和使用可靠性。
2)系列GH2035AGH2036GH2038GH2130GH2132GH2135GH2150GH2302GH2696GH2706。
3)系列GH3007GH3030GH3039GH3044GH3128GH3170GH3536GH3600GH3625GH3652。
GH4133BGH4141GH4145GH4163GH4169GH4199GH4202GH4220GH4413GH4500。
自然時效強化是在室溫放置過程中使合金產生強化;而人工時效強化是在低溫加熱過程中使合金產生強化。
兩者都是以固溶強化為前提,都是為了提高合金強度。
④晶界強化的出現時因為在高溫下,合金的晶界是薄弱環節,加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強度。
K414高溫合金
K414是鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金,長時使用溫度600℃、短時使用溫度800℃900℃。
合金中加入鉻、鉬等元素進行固溶強化,加入鋁、鈦等元素形成Y時效強化相,加入硼和鈰元素凈化和強化晶界。
合金在中低溫條件下,具有較高的強度和塑性,高的中溫持久壽命。
合金具有良好的抗燃氣侵蝕能力,以及良好的鑄造和加工性能。
主要產品為航天發動機整鑄導向器、航空發動機尾噴口精鑄件等。
合金已用于制作航天發動機導向器精鑄件、航空發動機尾噴口鑄件,批產和使用情況良好。
航空發動機國產化時代,高溫合金崛起
受限于產能和部分產品的質量,我國高溫合金41%左右的需求仍依賴進口,進口替代空間較大。
我國軍用和民用航空發動機的國產化趨勢明顯,新一代核心軍用發動機WS-15、WS-20有望批量裝載新型軍機,國產民用“長江”系列發動機也將實現進口替代,發動機的國產化趨勢將直接帶動高溫合金實現進口替代。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。
相比于傳統金屬,其特點是具有較高的高溫強度、良好的抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性,同時具備良好的抗疲勞性能、塑韌性等綜合性能。
航空發動機、燃氣輪機等產生極大熱能的工作環境是高溫合金的主要應用場景:以國產主力渦扇發動機WS-10為例,其渦輪前燃氣溫度達到約1100K,幾乎是普通鋼材的熔點溫度。
其中熱端部件主要包括燃燒室、導向器(導向葉片)、渦輪葉片(工作葉片)和渦輪盤,高溫合金是航空發動機熱端部件的關鍵材料。
在現代航空發動機中,高溫合金材料的用量占發動機總重量的40%60%。
以美國第三代戰斗機F110發動機總重1.8噸為例,高溫合金用量在0.9噸左右。
高溫合金下游應用廣泛,目前主要應用于航空航天領域。
高溫合金最初的研制主要為了滿足新型航空發動機的需求,但由于其良好的耐高溫,耐腐蝕等性能,逐漸被應用到電力,船艦,汽車,冶金,玻璃制造,原子能等工業領域。
根據《工業燃氣輪機渦輪葉片用鑄造高溫合金研究及應用進展,目前高溫合金下游最大的應用領域為航空航天用發動機,占比約55%,其次為能源發電用燃氣輪機,占比約20%。
全球航空發動機需求量的增加推動了高溫合金市場的發展。
2014-2018年,全球高溫合金市場規模從97.54億美元上升為約121.63億美元,年復合增長率為3.2%,與航空發動機銷量增速4.07%相近。
3.1目前國內高溫合金市場處于快速發展期。
目前,國內高溫合金應用最為成熟、最主要的應用領域為航空發動機,國內軍用和民用飛機交付量的增加以及發動機國產化趨勢,將帶動國內高溫合金需求的高速增長,此外,高溫合金在燃氣輪機及汽車發動機領域的應用發展趨勢較好,其進一步驅動高溫合金需求的增長。
發動機國產化趨勢明顯,驅動國內高溫合金行業進口替代。
從上世紀中葉至今,我國發動機經歷了從仿制到獨立研制的發展歷程,目前,我國戰斗機、運輸機、戰斗直升機及訓練機中的主流核心機型已實現發動機的國產化,未來,隨著WS-15、WS-20等新一代核心發動機的定型,并批量裝載于新一代軍機,其將直接驅動國內高溫合金需求增長,間接實現高溫合金進口替代。
3)燃氣輪機:燃氣發電和艦船量產打開高溫合金潛在市場空間。
艦船用燃氣輪機高溫合金需求來自于新型艦船量產及渦輪葉片更新替換。
一方面,我國新型艦船燃氣輪機單臺高溫合金含量高,量產帶動的需求量較大。
據不完全統計,截止2019年底,我軍艦總數240艘,其中航空母艦2艘,驅逐艦及護衛艦127艘,登陸艦49艘,小型作戰艦艇62艘,目前,我國軍艦主要增量來自于驅逐艦及護衛艦,是我國主流軍艦。
其中,新型驅逐艦055型驅逐艦于2014年定型,并于2019年開始服役,是未來主力量產的驅逐艦,055型驅逐艦裝配4臺我國自產QC/QD-280燃氣輪機作為動力裝置,按其仿制機型UGT25000重量16噸,高溫合金含量占比30%,成材率20%計算,單臺055型驅逐艦消耗高溫合金96噸。
新型護衛艦056A型護衛艦于2013年開始服役,目前正處于量產期,其采用2臺柴油發動機作為動力裝置,參照歐美、俄羅斯等國家不斷推進燃氣輪機在護衛艦的應用,隨著我國燃氣輪機的國產化發展,未來燃氣輪機將成為我國驅逐艦及護衛要動力裝置。
另一方面,燃氣輪機渦輪葉片耗材屬性帶來的市場空間較大。
一臺燃氣輪機中,各級葉片的平均使用時間為1.5-2.4萬小時,即平均更新替換周期為2年,類比于航空發動機,渦扇發動機的葉片約占航空發動機成本的30%,其中熱端部件的渦輪葉片占葉片總價值超過60%,渦輪葉片更新替換周期短,價值占比較大,市場空間大。
汽車是我國高溫合金另一重要應用領域,其中最主要的應用為汽車渦輪增壓器,渦輪增壓器是汽車等內燃機的重要零配件,其位于發動機進排氣系統,通過壓縮空氣來增加進氣量,從而使燃料燃燒更充分,增加發動機的輸出功率并降低廢氣中污染物的排放,以柴油機為例,運用渦輪增壓器能夠使得功率提升30%50%,并使得油耗降低約5%。
基于這些優點,渦輪增壓技術已成為公認的降低汽車內燃機油耗和減少廢氣排放有效的主要技術措施之一。
隨著全球各國相繼制定嚴格的排放和油耗標準,渦輪增壓器在汽車市場的滲透率不斷提升,據統計,2015年,我國渦輪增壓器配置率為28%,據霍尼韋爾估計,2020年,達到48%,離歐洲地區約80%的裝配率水平仍有較大成長空間。
目前,受我國排放標準從國五到國六a的過渡發展,以及國六b排放標準進一步嚴格化的驅動,我國渦輪增壓器配置率將加速提升,將帶動汽車領域高溫合金需求量穩步增長。
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