耐热钢和高温合金的熔炼及加工工艺

 随着高温材料应用的发展，耐热系统对耐热材料的要求日趋变高。通过大量的实验证明，当耐热合金中的元素种类和含量，杂质的种类和含量不同时，耐热合金的强度和抗氧化性能都有很大的差异，而冶炼工艺又决定了其元素含量和杂质含量并且熔炼工艺对于元素的挥发性和活性都有影响。为了避免熔炼中产生大量的杂质，获得理想的高温使用强度、抗高温性能，要选择正确的冶炼工艺和加工工艺。

一、熔炼工艺

      耐热钢的冶炼，要求工艺过程具有高度相同性和重复性。目前情况下，对各种熔炼工艺进行结合。从非真空电弧熔炼，发展到非真空电弧熔炼与真空电弧重熔的双联工艺，后来发展到用真空感应熔炼法加上真空电弧重熔。所以一般选择把熔炼方法和参数的最佳特点结合在一起，组成多次熔炼，凝固和均匀化的制造过程。对于镍基和镍铁基合金，选择真空感应熔炼工艺（可以把间隙气体降到最低，以达到对铝和钛的更好控制）。对于低合金珠光体耐热钢，合金元素总量不超过5%，用电弧冶炼加上真空电弧重熔。在工业生产和实验中运用的熔炼方法的工艺特点如表中所示。表列出了一些典型的高温合金的熔炼工艺。可根据耐热钢和高温合金的具体要求选择合适的冶炼工艺。

二、铸造工艺 

    合金的性能受到宏观组织的影响很大。耐热合金一般结晶为等轴晶铸件、柱状晶铸件、单晶铸件。等轴晶铸件的优点是容易制备，工艺简单，和粗晶材料相比细晶组织在室温和适当的高温下，有优越的硬度、疲劳强度、冲击抗力和流变应力，但是容易出现成分偏析和裂纹。耐热合金制备的零件，我们一般通过精密的控制其凝固过程采用熔模铸造生产，比如航天发动机的叶片，工业汽轮机里的透平零件增压器等。由于耐热合金的切削加工比较困难，易损坏表面的光洁度（由加工硬化引起），热机械加工导致碳化物发生沉淀，高温下产生晶界弱化，开发出了材料的定向结晶、单晶法。柱状晶铸件因为有取向性的材料，定向凝固减少了基体疏松，成分偏析，晶界沉淀物和碳化物。单晶铸件消除了成分偏析和晶界上的固有裂纹。

   铸造高温合金时考虑因素：1、铸件的正常工作温度，最高和最低的工作温度以及温度变化的频率，2、铸件本身的温差范围及合金的膨胀性能，3、铸件承受的载荷性能，加载，支承和外部约束方式，4、对铸件的寿命要求和允许的变形量，5、铸件的工作环境和性质。

三、高温合金的变形加工

   高温合金的力学性能对其加工过程特别敏感。锻造加工耐热钢可制造金属工业需要的所有产品形式。铸造组织经过初轧开坯，随后经过轧制、锻造、挤压等手段获得型材。奥氏体耐热合金热膨胀系数大，导热性差，在加热的时候要循序渐进的加热。如果加热太快，使得铸件各个部分受热不均匀，那么就会产生内部应力，出现裂纹。铁素体耐热合金在927℃以上加热时，有晶粒长大的倾向。在热加工过程中，如果冷却速度太快就会引起铬元素的偏析，出现晶间腐蚀现象。该种耐热钢在制备加工过程中要严格的控制温度。奥氏体-铁素体双相不锈钢容易发生加工硬化，出现裂纹。珠光体耐热钢因为它的元素含量在5%以下，制备和加工性能都比较理想。

  1. 热处理

    耐热钢和高温合金的元素含量一般都很高（除了珠光体耐热钢），元素分布情况很大程度上影响合金的组织和性能。通过合适的热处理工艺可以使强化的元素弥散分布在基体中。使相的形态，尺寸，分布在最为有利的状态。高温合金最重要的热处理是固溶和时效，有时还要进行消除内应力的退火处理。固溶处理的目的是消除和减轻铸件凝固时的枝晶偏析并使粗大的初生相全部溶入基体然后冷却的过程中析出细小而均匀分布的次生相。时效处理的目的使合金进一步析出细小弥散质点，基体稳定。珠光体耐热钢通常在正火或调质状态下使用，奥氏体钢和合金稳定的组织是奥氏体固溶体和析出相。奥氏体钢的热处理目的是通过固溶热处理使碳化物和金属间化合物固溶到了奥氏体基体中起到强化作用。从而得到优良的高温力学性能。高铬铁素体耐热钢由于含有高的铬和硅，具有较好的抗高温氧化性能。但是该类钢在475℃左右加热，晶粒开始迅速的长大，产生了脆化。并且脆性不能通过热处理来消除。该钢种在加热时，加热时间要短，温度要低，避免产生脆性。马氏体耐热钢通过热处理获得好的室温和高温力学性能。马氏体的热处理一般是由淬火和高温回火组成。该类钢含铬量较高，和铁素体一样，在475℃产生脆性，所以它们的回火温度为680～700℃。

  2. 焊接加工

    耐热钢和高温合金由于合金元素种类多、合金组织结构复杂、加热引起晶粒度的变化、合金中氢的含量、异种金属焊接带来的问题等因素，使该类合金的焊接存在诸多问题。珠光体型耐热钢元素含量较低，减少碳含量的引入可以避免其淬硬性倾向；限制钒、钛、铌元素的含量，预热温度在250℃，采用低的热输出焊接工艺可以防止再热裂纹的产生、采用分段逐步冷却的方法避免回火脆性的产生。马氏体耐热钢由于碳和铬含量较高使得其焊接性能较差，马氏体耐热钢焊接后有较大的淬硬倾向，容易产生焊后冷裂纹。有时要预热到400℃才能焊接。焊后要在100～150℃保温一段时间，然后立即升温热处理。奥氏体耐热钢焊接性能良好，无淬硬性，无晶粒粗大化。但是其焊接时有热裂纹倾向，这种裂纹对硫、磷的含量都很敏感，尽量减少硫、磷含量。该类合金在焊接是有碳化铬在晶界析出（焊接接头在450～850℃时处的时间越长，产生的碳化铬越多，使得焊缝周围母体贫铬，使晶界区出现贫铬层，引起晶间腐蚀），还有焊接接头的脆化（σ相析出脆化）。铁素体耐热钢焊接性能很一般，主要问题是焊接热影响区的脆化，裂纹倾向较大，室温时韧性低。

  3. 机加工工艺

   珠光体耐热钢元素含量在5%左右，机械加工性能优于其他几种耐热钢。奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和双相耐热钢由于它们的合金元素含量比较高，切削加工性能不如珠光体耐热钢。镍基和钴基高温合金由于合金元素含量很高，合金化程度高，并且强化相数量多，切削性能差。耐热合金的热机械加工工艺一般根据合金的熔化温度和沉淀温度来确定，并且热机械加工过程中要进行润滑。