高温合金根据其强化类型的不同,可分为固溶强化型合金和时效沉淀强化型合金。其中固溶强化型合金具有良好的高温长期组织稳定性及表面稳定性等优点,所以广泛应用于高温,热应力大但机械应力较小的工作条件。同时固溶强化型高温合金还具有良好的机械加工性能和焊接性能,便于加工成各种复杂的零部件。
在过去的几十年中,该类高温合金得到很大发展,多种固溶强化型高温合金相继开发成功。Haynes230合金是美国哈氏公司在20世纪80年代初研制成功的固溶强化型高温合金,该合金具有良好高温强度、优良的抗氧化和耐腐蚀性能,以及较好的热稳定性;作为固溶强化型高温合金,其机械加工性能和焊接性能与 HastelloyX、 Haynes188合金类似。目前, Haynes230合金主要用于制造航空涡轮发动机燃烧室、过渡导管、火焰筒、热交换器等零部件,同时也广泛用于制造地面燃气轮机燃烧室部件及工业炉热电偶保护套管、热处理托盘、火焰档板、炉、喷雾器导管、旋风器内衬等高温设备元件,在化工工业领域中的应用包括硝酸工业的催化剂托栅、高温热交换器及导管、高温风箱、关键工艺设备的内衬,而且它还是下一代核能热交换器的候选材料之一。
固溶强化型高温合金广泛用于高温、低应力条件下,所以蠕变强度和持久强度是该类合金的重要性能指标之一。Haynes230合金的主要工作温度范围为650~1095℃。其中高温段主要针对燃烧室、过渡导管、火焰筒等部件,而低温段则主要针对密封圈、机匣等部件。
Haynes230合金具有优良的高温强度性能,在室温下也具有良好的加工性能,所以特别适用于649℃或更高温度下的长期使用。在某些工作条件下,它的使用寿命甚至可达到不锈钢、其它镍基高温合金寿命的100倍。另一方面,Haynes230合金具有的优良高温强度性能,使其在设计负荷承载能力相当的部件时比其它合金部件厚度薄75%。Haynes230合金固溶处理后,当晶界富Cr的 M23C6型碳化物呈片状不连续形态析出时,合金试样在蠕变测试过程中没有呈现蠕变稳态阶段,蠕变速率一直处于加速状态,直至断裂,断裂延伸率仅为7%。而当晶界富Cr的 M23C6型碳化物呈链状形态析出时,合金具有明显的蠕变稳态阶段,断裂延伸率也高达33%。
燃气轮机热端部件和其它高温长期服役条件下的设备元件不仅需要在最初服役期间具有优良的塑性和冲击韧度,而且要求合金长期服役后仍然保持一定的塑性和冲击韧度,长期服役后的塑性对零部件的维修也至关重要。在高温空气气氛下服役的零部件,部件材料的抗氧化性能对部件的寿命、力学性能有很大的影响。如燃烧室部件工作温度在700~1100℃,寿命要求达到1000h 以上,在该温度段合金的抗氧化性能对部件服役寿命至关重要。
燃烧室等类似部件由于燃油在低氧气氛下燃烧发生在燃烧室壁沉积,导致合金表面发生渗碳反应,而合金渗碳不仅影响其力学性能,并且降低合金的抗氧化性能,所以要求合金具有一定的抗渗碳反应能力。通过表面渗碳实验,即将实验合金在980℃、Ar-5%H2-5%CO-5%CH气氛中保温55h,随后采用化学分析方法测试合金单位面积渗碳量。
高温合金板材在服役条件下经常承受循环机械应力和热应力,如机器启动和停止过程中,合金承受一定的循环热应力,这将导致合金发生周期性的变形行为。在某些服役条件下,低周疲劳性能将成为合金服役寿命的瓶颈,因此在合金的开发和使用过程中,关注和研究合金的低周疲劳性能具有一定的经济价值和工程意义。
由于高温合金的加工硬化率一般高于不锈钢,因此其机械加工性能劣于不锈钢。不同高温合金的加工硬化率差异也很大,以下表1给出了几种典型固溶强化型高温合金硬度达到HRC35所需的工变形量。不同合金在进行变形后,其残余拉伸塑性和屈服强度也呈现出不同的特征。
Haynes230合金的焊接性能与Hastelloy X类似,具体焊接工艺可以参考HastelloyX合金。由于埋弧焊存在对焊接金属加热过大.焊缝冷却速率慢等问题,这将增加焊缝约束和诱发裂纹萌生,所以不宜采用埋弧焊焊接Haynes230合金零部件。
综上,Haynes230合金较Hastelloy X、Haynes188以及In-co625合金具有更优异的表面稳定性、更优良的强度和热稳定性综合性能,同时其机械加工性能、焊接性能与其它固溶强化型高温合金类似。所以 Haynes230合金在航空工业及类似领域正逐渐取代其它固溶强化型高温合金,而且其应用领域还将进一步扩大。