耐热钢和Ti合金最新研究动向

1耐热钢、耐热合金
(1)概要
气候异常及由此损害健康的问题，致使在全球范围内推出削减CO2及其废弃物的环境规则。为此，针对汽车、飞机内燃机、发电设施及废弃物处理设施，开展了提高能源转换利用率，灵活应用新能源，蓬勃展开燃烧形态控制等技术的开发。耐热钢及其高温合金便是其开发的新功能材料。本文就耐热钢及高温合金的最新研究动向进行综合论述。
(2)汽车用耐热材料
发动机阀在汽缸内承受燃烧的高温气体，需要耐热钢或超高温合金。汽油发动机的吸气阀广泛采用SUH3和SUH11马氏体系耐热钢，而排气阀采用以SUH35为代表的奥氏体系耐热钢或高强度、超高温Ni基合金。由于使用超级合金，轴径较细，达到高温时，相对较轻、且可避免表面凸缘硬化，但材料成本过高。因此，开发出比JIS标准中NCF751（70Ni）更低Ni含量的NCF3015(Fe-32Ni-16Cr-2.7Ti-1.1Al-0.8Nb)，并达到实用化。同时，还开发出可冷锻成型的NCF2415C(Fe-24Ni-15Cr-2.2Ti-1.5Al-0.5Nb)阀用钢，其在两轮车排气阀上实用化。近来，由于燃料费用提高，迫切需要通过高温化的燃烧，提高发动机旋转区的理论空燃比，为此以NCF440（70Ni）为基础，开发出汽车发动机用低Ni化NCF5015(Fe-50Ni-15Cr-1Mo-1.5W-2.4Ti-1.4Al-1.3Nb)钢。
利用废气带动涡轮旋转驱动压缩机，涡轮增压器可将更多压缩空气送到汽缸内，即使排气量相同的发动机能输出更高的功率。为降低CO2排放量，需减少排放废气的发动机尺寸，并增强涡轮增压器的适用性。以往，涡轮采用非耐热性材料，因此，与理论空燃比相比，需要更多地雾化燃料，而且排气温度低，导致大幅增加涡轮燃费。最近，开发出的高耐热性材料使得涡轮可实现理论空燃比燃烧，从而降低了燃费。
涡轮高速旋转，引发离心力的作用，这就要求极好的高温蠕变强度与耐氧化性。以往采用Ni基Incone1713C铸造合金或价格相对低廉GMR235精密铸造件。鉴于高温所需，部分开始采用Mar-M2（47Ni-0.15C-8Cr-10Co-10W-0.7Mo-5.5Al-1Ti-1.5Hf-0.015B）高强、超耐热合金。
气缸盖及涡轮增压等部件高温法兰结合面的密封，采用金属密封垫圈。这种密封垫圈在400℃以上高温环境使用，需要长时间高温下密封性能不恶化，这就要求采用高硬度、抗高温软化性的优异材料。DSN9高N元素不锈钢，经冷加工与时效处理后得到高硬度，在600℃高温下，400h，其耐热性、回弹能力与硬度几乎不变。由此可知，DSN9钢带可制成高温用金属密封垫圈加以使用。
发电用耐热材料
为提高发电效率，采用24MPa蒸汽、566℃临界点以上的超高临界蒸汽压力（USC）蒸汽发电。目前，600℃级煤炭火力发电设备已达到实用化。为继续提高发电效率，最近在日本、欧美旨在积极推行700℃以上蒸汽温度，更高效煤炭火力发电设备项目计划，而着手开发相应的高温材料。涡轮叶片、套管螺栓用铁素体系耐热钢在700℃以上的蠕变强度低，达不到容许值，因此须使用Ni基超级高温合金。鉴于奥氏体系耐热钢热膨胀系数比铁素体系大，在很大程度上受到设计制约。为此，开发了LTES700(Ni-12Cr-18Mo-0.9Al-1.1Ti)高温高强度、低热膨胀系数的Ni基超高温合金，制成螺栓在现场实机环境进行评估。另外，考虑到叶轮大型化，开发出TES700R(Ni-12Cr-6Mo-7W-1.6Al-0.7Ti)改良型超级高温合金，制成圆盘进行性能评估。
(4)飞机用材料
涡轮风扇发动机既能提高涡轮前温度，又不增加排气速度，同时提高喷气发动机的热效率和推进效率。涡轮风扇发动机在涡轮喷气发动机的基础上增加了多级涡轮，并经由这些涡轮带动一排或几排风扇，风扇后面的气流分成两部分，一部分进入内涵道压气机，另一部分则未经燃烧，直接排到外涵道空气中。由于涡轮风扇发动机部分燃气能量用于带动前端风扇，因此降低了排气速度，提高了推进效率；为提高热效率，可提高涡轮前温度，之后可通过调整涡轮结构参数和增大风扇直径，使更多燃气能量经风扇传递到外涵道，毋须增加排气速度。对于涡轮风扇发动机来讲，热效率与推进效率并不相矛盾，只要结构和材料允许，提高涡轮前温度十分有利。根据结构参数，航空用涡轮风扇发动机分为两类，即不加力式涡轮风扇发动机用于高亚音速运输机，加力式涡轮风扇发动机用于歼击机。
(5)废弃物处理用材料
垃圾焚化炉等废弃物处理设施，高温处理废弃物时，产生腐蚀性极强的气体及焚化为低熔点腐蚀灰分。垃圾焚化炉金属材料需要采用高耐蚀SUS310或NCF625不锈钢或Ni基合金。
为有效利用垃圾能源，作为抑制二恶英等有害物质垃圾处理设备的气化焚化炉近来受到人们关注。当熔融温度超过1000℃，即使采用MO-RE2超级高温耐热铸钢，其强度与耐蚀性仍显不足，尚需寻求性能更优异的高耐蚀高强度合金。为此，开发出极端严峻环境下使用的Ni基TN105（Ni-0.3C-27Cr-10W-2Al-2Si）铸造合金，其可在气化熔融炉高温气体加热器管材中使用。
(来源：钢铁产业)