·1294· 工程科学学报，第38卷，第9期 中存在“选择性燃烧”现象：Cr、Fe、Nb、Mo、Ti、Al等元 元素，在燃烧反应过程中在燃烧层中富集，并且优先与 素燃烧放热量高，在燃烧前沿优先与氧发生燃烧，称为 氧发生燃烧，释放大量的热量，促进燃烧的进行，降低 “易燃烧元素”：Ni和Co不易与氧发生燃烧，称为“抗 了材料的抗燃烧性能. 燃烧元素”.通常易燃烧元素含量越高，其优先与氧发 M。在高温合金中主要起到固溶强化作用，W起 生反应，释放大量的热量，促进燃烧的持续进行，降低 到固溶强化、降低层错能和提高抗蠕变性作用：W和 合金整体的抗燃烧性能：相反“抗燃烧元素”则会滞后 Mo在燃烧区域未见明显优先燃烧放热趋势，并且其燃 燃烧，放热量低，阻碍燃烧的进行.合金元素燃烧热如 烧热低于Ti、A!等，但W和Mo在燃烧过程中形成挥 表3所示.由于合金在燃烧前沿存在“选择性燃烧”现 发性氧化物会影响其抗燃烧性能可，同时高的W和 象，燃烧层中合金元素的燃烧行为包括元素含量、燃烧 Mo含量会降低整体N的含量. 优先性与燃烧放热量，成为决定合金整体燃烧的关键 2.3提高新型高温合金抗燃烧性能措施 性因素.下面根据合金中各元素含量、燃烧热和燃烧 (1)N具有优异的抗燃烧性能，其含量的高低对 优先性对各元素的燃烧行为进行分析 合金抗燃烧性能起重要作用，在设计新型高温合金时， 表3金属元素燃烧热四 尽可能提高基体元素Ni含量，降低其他合金元素含 Table 3 Combustion heat of metals 量.在实验中，Ni质量分数65%的GH4202合金抗燃 烧性能明显优于Ni52.5%的GH4169合金. 元素 燃烧形成氧化物 燃烧热/(Jg1) (2)适当降低合金中Fe含量.GH4169中加入有 Ni NiO 4102.3 质量分数18%左右的Fe进行固溶强化，同时降低生 Co Co0 4060.4 产成本，但是其燃烧放热高，并且降低了基体元素N Fe Fe203 7388.3 的含量，是GH4169合金抗燃烧性能低于GH4202合金 Cr Cr203 10883.6 的主要原因. W W03 4575.3 (3)合理分配N、Ti和Al的含量.Nb、Ti和Al作 Mo 6103.2 为沉淀强化元素，一方面其形成的y和Y”是高温合金 公 TiOz 19716.1 主要强化相，另一方面其燃烧热很高，在燃烧层中优先 A山203 31081.1 燃烧放热，促进燃烧反应的进行，降低了合金抗燃烧性 能，因此在设计新型抗燃烧合金时应合理分配比例，尽 作为高温合金基体元素，N燃烧形成单一氧化物 可能降低其总含量 NO,Ni在熔化层中含量很高，而在氧化物区含量急剧 (4)W和Mo并未像Ti、Al等优先燃烧放热，促进 降低，并且燃烧放热量低，存在“滞后燃烧”现象，属于 燃烧的进行，但在燃烧时形成挥发性氧化物影响其抗 典型的“抗燃烧元素”：具有优异的抗燃烧性能，其 燃烧性能，因此应控制其总的含量，提高合金基体N 含量的高低对合金抗燃烧性能起重要作用，在实验结 含量 果中证实镍含量高的合金具有更好的抗燃烧性能 C作为高温合金重要合金元素，在高温合金中起 3结论 到提高抗氧化性、抗腐蚀性和固溶强化作用：Cr属于 (1)在富氧条件下GH4169、GH4202和Ni均发生 高燃烧热元素，易燃烧，在燃烧层中优先燃烧，大量形 不同程度的燃烧，其抗燃烧性能由高到低依次为i、 成氧化物.Cr在燃烧过程中起到双重作用：一方面C GH4202和GH4169:合金GH4169与GH4202都是液相 燃烧热高，促进燃烧的进行；另一方面形成致密、高熔 燃烧，燃烧区域分为未燃烧区、熔化区和氧化物区，在 点氧化物阻碍燃烧. 整个燃烧区内存在“过量氧”现象 沉淀强化镍基合金GH4169中加入有质量分数 (2)合金在燃烧前沿存在“燃烧层”，由未完全燃 18%左右的Fe进行固溶强化，降低生产成本；由于Fe 烧的金属颗粒和氧化物组成，液态金属与氧在燃烧层 的大量加入降低了Ni含量，图6(a)中Fe大量进入燃 中发生燃烧：燃烧层中合金元素的燃烧行为，包括元素 烧层，参与燃烧放热，同时在富氧条件下与氧形成高价 含量、燃烧热和燃烧选择性等因素，是决定合金整体燃 氧化物，有利于氧的传输，促进燃烧的进行：GH4202中 烧的主要限制环节 由于Fe的含量低（质量分数3.5%），对整体燃烧影响 (3)合金元素在燃烧前沿存在“选择性燃烧”现 不大 象，通常高燃烧热的b、T、Al、Fe等元素优先燃烧，抗 Nb、Al和Ti作为沉淀强化元素，形成的y和Y"是 燃烧元素如Ni滞后燃烧；合理控制W、Mo、Fe、Nb、Ti、 高温合金的主要强化相，其数量是高温合金室温和高 A山等元素含量是提高高温合金抗燃烧性能的有效 温强度的决定性因素：同时Nb、A!和T属于“易燃烧” 途径.工程科学学报，第 38 卷，第 9 期 中存在“选择性燃烧”现象: Cr、Fe、Nb、Mo、Ti、Al 等元 素燃烧放热量高，在燃烧前沿优先与氧发生燃烧，称为 “易燃烧元素”; Ni 和 Co 不易与氧发生燃烧，称为“抗 燃烧元素”． 通常易燃烧元素含量越高，其优先与氧发 生反应，释放大量的热量，促进燃烧的持续进行，降低 合金整体的抗燃烧性能; 相反“抗燃烧元素”则会滞后 燃烧，放热量低，阻碍燃烧的进行． 合金元素燃烧热如 表 3 所示． 由于合金在燃烧前沿存在“选择性燃烧”现 象，燃烧层中合金元素的燃烧行为包括元素含量、燃烧 优先性与燃烧放热量，成为决定合金整体燃烧的关键 性因素． 下面根据合金中各元素含量、燃烧热和燃烧 优先性对各元素的燃烧行为进行分析． 表 3 金属元素燃烧热［22］ Table 3 Combustion heat of metals ［22］ 元素 燃烧形成氧化物 燃烧热/( J·g － 1 ) Ni NiO 4102. 3 Co CoO 4060. 4 Fe Fe2O3 7388. 3 Cr Cr2O3 10883. 6 W WO3 4575. 3 Mo ― 6103. 2 Ti TiO2 19716. 1 Al Al2O3 31081. 1 作为高温合金基体元素，Ni 燃烧形成单一氧化物 NiO，Ni 在熔化层中含量很高，而在氧化物区含量急剧 降低，并且燃烧放热量低，存在“滞后燃烧”现象，属于 典型的“抗燃烧元素”; Ni 具有优异的抗燃烧性能，其 含量的高低对合金抗燃烧性能起重要作用，在实验结 果中证实镍含量高的合金具有更好的抗燃烧性能． Cr 作为高温合金重要合金元素，在高温合金中起 到提高抗氧化性、抗腐蚀性和固溶强化作用; Cr 属于 高燃烧热元素，易燃烧，在燃烧层中优先燃烧，大量形 成氧化物． Cr 在燃烧过程中起到双重作用: 一方面 Cr 燃烧热高，促进燃烧的进行; 另一方面形成致密、高熔 点氧化物阻碍燃烧． 沉淀强化镍基合金 GH4169 中加入有质量分数 18% 左右的 Fe 进行固溶强化，降低生产成本; 由于 Fe 的大量加入降低了 Ni 含量，图 6( a) 中 Fe 大量进入燃 烧层，参与燃烧放热，同时在富氧条件下与氧形成高价 氧化物，有利于氧的传输，促进燃烧的进行; GH4202 中 由于 Fe 的含量低( 质量分数 3. 5% ) ，对整体燃烧影响 不大． Nb、Al 和 Ti 作为沉淀强化元素，形成的 γ'和 γ″是 高温合金的主要强化相，其数量是高温合金室温和高 温强度的决定性因素; 同时 Nb、Al 和 Ti 属于“易燃烧” 元素，在燃烧反应过程中在燃烧层中富集，并且优先与 氧发生燃烧，释放大量的热量，促进燃烧的进行，降低 了材料的抗燃烧性能． Mo 在高温合金中主要起到固溶强化作用，W 起 到固溶强化、降低层错能和提高抗蠕变性作用; W 和 Mo 在燃烧区域未见明显优先燃烧放热趋势，并且其燃 烧热低于 Ti、Al 等，但 W 和 Mo 在燃烧过程中形成挥 发性氧化物会影响其抗燃烧性能［5］，同时高的 W 和 Mo 含量会降低整体 Ni 的含量． 2. 3 提高新型高温合金抗燃烧性能措施 ( 1) Ni 具有优异的抗燃烧性能，其含量的高低对 合金抗燃烧性能起重要作用，在设计新型高温合金时， 尽可能提高基体元素 Ni 含量，降低其他合金元素含 量． 在实验中，Ni 质量分数 65% 的 GH4202 合金抗燃 烧性能明显优于 Ni 52. 5% 的 GH4169 合金． ( 2) 适当降低合金中 Fe 含量． GH4169 中加入有 质量分数 18% 左右的 Fe 进行固溶强化，同时降低生 产成本，但是其燃烧放热高，并且降低了基体元素 Ni 的含量，是 GH4169 合金抗燃烧性能低于 GH4202 合金 的主要原因． ( 3) 合理分配 Nb、Ti 和 Al 的含量． Nb、Ti 和 Al 作 为沉淀强化元素，一方面其形成的 γ'和 γ″是高温合金 主要强化相，另一方面其燃烧热很高，在燃烧层中优先 燃烧放热，促进燃烧反应的进行，降低了合金抗燃烧性 能，因此在设计新型抗燃烧合金时应合理分配比例，尽 可能降低其总含量． ( 4) W 和 Mo 并未像 Ti、Al 等优先燃烧放热，促进 燃烧的进行，但在燃烧时形成挥发性氧化物影响其抗 燃烧性能，因此应控制其总的含量，提高合金基体 Ni 含量． 3 结论 ( 1) 在富氧条件下 GH4169、GH4202 和 Ni 均发生 不同程度的燃烧，其抗燃烧性能由高到低依次为 Ni、 GH4202 和 GH4169; 合金 GH4169 与 GH4202 都是液相 燃烧，燃烧区域分为未燃烧区、熔化区和氧化物区，在 整个燃烧区内存在“过量氧”现象． ( 2) 合金在燃烧前沿存在“燃烧层”，由未完全燃 烧的金属颗粒和氧化物组成，液态金属与氧在燃烧层 中发生燃烧; 燃烧层中合金元素的燃烧行为，包括元素 含量、燃烧热和燃烧选择性等因素，是决定合金整体燃 烧的主要限制环节． ( 3) 合金元素在燃烧前沿存在“选择性燃烧”现 象，通常高燃烧热的 Nb、Ti、Al、Fe 等元素优先燃烧，抗 燃烧元素如 Ni 滞后燃烧; 合理控制 W、Mo、Fe、Nb、Ti、 Al 等元 素 含 量 是 提 高 高 温 合 金 抗 燃 烧 性 能 的 有 效 途径． ·1294·