自从将锡和铜混合在一起以形成一种新的，更好的材料 - 青铜以来，我们一直使用金属合金已有10，000多年的历史了。
如今，我们使用的几乎所有金属都是某种合金，因为它们仅比其组成元素优越。
随着燃气轮机的出现，工程师需要具有出色的机械性能和高温抗性的材料，该组统称为超合金。
什么是超级合金？
超合金是一组金属，比传统合金提供更好的蠕变，氧化和耐腐蚀性，同时即使在高温下也保持出色的机械性能。从某种意义上说，它们充当高性能合金。
Superalloys在航空航天行业中通常用于燃气轮机发动机中的组件，使用镍，钴或铁的底座提供了与钢或铝合金的传统合金相比，具有优越性的性能。
虽然大多数基于铁的合金开始，在400摄氏度（铝合金甚至较低）下，材料强度显着下降，但许多超级合金实际上在750和900度。
为什么很重要？
每磅超级合金比钢，铝或不锈钢更昂贵。亚博AG真人app下载网址它们的工作和成型形状也更为复杂。那么，为什么它们在某些应用中如此广泛使用？
蠕变抗性
蠕变是一种材料故障模式，其组件在应力水平上的变形远低于其最终的拉伸强度。
当它首次被发现时，关于最终的拉伸强度，压力/应变和疲劳知之甚少，但是这种新现象似乎无视传统的冶金。
经过大量的测试和分析后，发现零件上的延长（尽管相对轻度）的压力可能会导致所谓的“冷流” - 该零件将在塑料中不到一半的UT形状变形。有关蠕变的更多信息，请查看我们的文章这里。
进一步发现，来自任何来源的热量会加速蠕变。对于喷气发动机中的组件，这是一个潜在的灾难性问题。
Superalys使诸如涡轮叶片之类的零件能够在中心力和热量的极端运行，同时保持其强度，最重要的是它们的形状。
在使用超级合金之前，对非冻结材料的长期测试产生了有趣的结果，涡轮叶片在旋转时延长，导致对发动机壳体的干扰。
对高温的抵抗力
在航空航天发动机和燃气轮机等应用中，必须抵抗高温。
超级合金不仅在升高的温度下表现良好，在某些情况下，材料的UTS可以增加，从而允许更高的工作应力或更少的质量。这两个要点都是航空的加号。
由于超级合金比传统合金更好地抵抗热量，因此对喷射涡轮发动机的设计进行了许多改进。
由于进气和燃料的压缩，喷气涡轮机可以产生如此高的推力。压缩越高，发动机可以产生的功率越多。随着压力和燃烧率的增加，产生的热量也会增加。
值得庆幸的是，Superalloys对热和蠕变的抵抗力使燃烧压力更高，从而大大提高了效率。多少？结束7600亿客运英里仅在2019年，仅在美国，小效率就可以等同于燃料的大量节省。
是什么使它们独一无二
Superalys与大多数其他金属分开，因为它是异国情调的，仅用于非常特定的应用。但是是什么真正使它们与众不同？
晶格结构和降水硬化
在原子水平上，组成金属的元素形成晶格结构。这是什么意思？与塑料不同，原子在垂直行和网格中排列。金属形成晶格结构的自然趋势既有益又是障碍，可以为它们提供力量，而仅在某些平面上。
合金将金属合金（以及其他好处（例如氧化抗性））有助于巩固这种晶格结构，并增加引起原子平面滑移所需的力滑机。
超级合金，尤其是基于镍的Superalloys，更进一步。两相平衡微观结构的形成会影响合金元素安排自己的方式，并保护它们免受多种不同的故障模式。
这个硬化材料的技术被称为降水硬化，用于许多铝，不锈钢和镍的合金中。亚博AG真人app下载网址
超级合金的例子
镍，铁和钴是超级合金的主要类别，每个都有许多小节。让我们快速看一下：
基于镍的超级合金
Hastelloy
这种合金是钼和铬的结合，产生了极好的耐腐蚀性，并保持了良好的焊缝性和抗酸的耐药性。
Hastelloy有许多变体，包括常用的C276，Hastelloy B，B-2等。每个等级都有略有不同的特征和合金元素的水平，以适应广泛的应用
有关Hastelloy的更多信息，请阅读我们的全部指南这里
inconel
inconel有时用作不锈钢的高温替代品。亚博AG真人app下载网址它具有保持酸和耐腐蚀能力至极高温度亚博AG真人app下载网址的能力，可以改善不锈钢。
铬是inconels中最丰富的合金元素，但是像大多数超级合金一样，有许多不同的变化。
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超级合金的特性
对合金元素和热处理的密切控制可以为冶金学家确定材料的特性提供精度。超级合金也是如此，每个子组通常在机械或化学特性方面都有令人惊讶的变化。我们只会介绍一些一般的。
基于镍的超级合金
机械/化学特性：
- 高热电阻
- 耐腐蚀性
- 高强度
可行性：
- 良好的可加工性
- 在某些情况下可焊接性
- 形状内存
- 低热膨胀
基于钴的超级合金
机械/化学特性：
- 比镍基合金高的热阻力
- 与镍和铁合金相比，更高的热腐蚀性
- 高温下更大的热疲劳性耐药性
可行性：
- 更好的可焊性
- 某些合金的可加工性差
基于铁的超级合金
机械/化学特性：
- 与镍基合金相比，高温的强度低
- 与镍相比，出色的耐磨性
- 良好的蠕变阻力
可行性：
- 通常更好的可焊性
- 良好的可加工性
超级合金的组成
基于镍的超级合金
Hastelloy是一种常用的镍超合金，根据必要的应用，化学成分有许多变化。
Hastelloy C22具有以下组成：
- 56％镍
- 22％铬
- 13％钼
- 其他：较低的铁，钨和钴
Inconel 625与典型的不合理不同，含有更多的镍和更少的钼。它具有以下组成：
- 58-71％镍
- 21-23％的铬
- 8-10％钼
- 5％铁
- 其他：较低量的niobium，钴和锰
基于钴的超级合金
基于钴的超合金通常由钴和铬组成。X-40，一种非有产钴的合金，主要用于其出色的蠕变耐药性。
典型的成分合金X-40是：
- 54％钴
- 24％铬
- 10％镍
- 7.5％钨
- 0.5％碳
基于铁的超级合金
A-286是一种经常使用的铁基合金。它可以被认为是不锈钢的演变，提供了通常的耐腐蚀性，只能达到700摄氏度。亚博AG真人app下载网址
A-286就像所有不锈钢一样，主要由亚博AG真人app下载网址铁和铬组成。这些是存在的其他要素：
- 53％铁
- 26％镍
- 15％铬
- 7.5％钨
- 2.15％铝
超级合金的处理
为了创建这些新的多型材料，必须对普通钢和合金制造工艺进行许多更改。除了新的处理外，还需要严格控制过程参数。
基于镍的超级合金最常被铸成可用的形状。来自铸锭的形状形成的应用数量有限，但是这些应用通常在铸造过程中提供较少的材料特性。
定向固化的铸造（DS）
这种类型的铸造在1960年代开发，与铝或铁的传统铸造截然不同。
首先，倒入炉子内部完成，使温度受到密切控制。然后根据材料和财产要求的规格将模具从高温中慢慢移除。
定向固化的模具的设计旨在将一个内部的脸部明显比其余的面部较冷。这是使用水冷却热交换器来完成的。
这个复杂过程的目的是从谷物形成的何处和方向控制。模具的冷却面（通常是底部）会导致整个部分从底部到顶部冷却。
能够控制晶粒边界的方向，使工程师和冶金学家能够在某些方向上创造出极强的零件。在制作喷气机发动机组件时，这是航空航天行业中非常有用的工具。
第一个定向固化的涡轮叶片是由普拉特和惠特尼在1969年 - 它们被用于著名的SR-71 Blackbird的发动机！
单晶铸造（SC）
为了延续DC铸造的好处，单晶铸造以更复杂的方式监测过程，几乎导致95％该部分由奇异金属晶体形成。
通过这种方式消除了由晶界引起的所有问题，例如滑动，气蚀和夹杂物。这给出的最大优势之一是蠕变阻力大大增加。
SC铸造是使用比DC铸造更复杂的模具进行的。除了水冷却板外，模具还具有一系列弯曲 - 其目的是减少晶体结构地层的量。
Pratt＆Whitney Engineers将它们排列在螺旋螺旋中，并在墙壁上进行缩进的细节，开始制作铸件，几乎没有次级结晶。
这里的温度控制的关键性不能低估。即使在霉菌壁的温度下有轻微的不规则性也会导致许多结晶位点，立即破坏整个倒入。
他们用什么？
行业
超级合金的使用是广泛的。尽管这些材料本身通常以较少的量使用，但它们可以在组件的效率和强度方面取得很大的提高。
- 航天
- 核电产生
- 化学处理
- 热处理
- 汽车
- 医疗的
申请
可能是最著名和最有据可查的基于镍的超级合金的使用是在涡轮发动机中。该材料的高温强度和蠕变阻力彻底改变了航空航天行业，在商业和乘客飞行中均提供了令人难以置信的效率。
必须有与涡轮叶片相似的其他多种应用，其中必须蠕变和氧化抗性。其中包括汽车涡轮增压器涡轮机，发电厂蒸汽轮机等。
超级合金也用于静态组件中，许多加工系统都利用其高强度和对阀，容器，螺栓和管道的耐腐蚀性。这些环境通常是传统上使用不锈钢的地方。亚博AG真人app下载网址
将来的超级合金
巩固了他们在航空业的声誉之后，超级合金使用的下一个合理步骤是太空旅行。
由于亚分流层飞行面临的许多相同的挑战，即减轻体重/效率，高温变化和高应力的动力，空间中使用的发动机可以受益于超级合金的实施。
能够通过更强大的材料节省重量非常重要。我们已经通过几乎建造了这一点每个空间发射设备自1960年代以来。
