耐高温材料
因提高热力机的效率、开发新能源技术以及发展宇航业等方面的需要,对耐超高温新材料的开发研究工作,已风靡全球。现在,在多用途的高温瓦斯炉、高效率的气轮机以及核聚变等与能源有关的技术开发上,耐高温材料的发展,可谓日新月异。
多用途的高温瓦斯炉,其传热介质是氦气,温度高达1000℃,而能够耐此高温的金属材料,现已开发出的,有名叫“113MA”、“KSN”的两种合金。“113MA”是日立金属公司研制成功的镍基合金。它的耐高温性能很好,即使在氦气中,其强度也几乎不下降,据说是最稳定的合金。“KSN”合金是神户制钢公司研制的,也是镍基合金,其抗高温蠕变断裂强度很高,而且抗高温冲击强度也相当高。但这种合金含钨量高达26%,所以成本高昂,且难以制造,因此,还有不少困难。
一般地说,所谓耐超高温合金,大部分是镍基合金。它是以镍为基体,添加钴、铬、钼、碳、钛、铝等元素组成的合金。但因组合方式不同,其特性各有千秋。
为了提高合金强度,可用单向凝固、共晶型单向凝固等方法。铸造时,将铸入的熔融金属从底部冷却,使其慢慢凝固,然后,晶粒长成柱状,成为抗柱状方向应力强的合金,此即单向凝固法。如使之生成不同的两种以上的结晶,就用所谓共晶型凝固法。
宇航工业也离不开耐高温材料的开发。1981年发射航天飞机时,关于绝热材料的议论,曾聒噪一时。当时,航天飞机刚开始飞行时,因部分绝热砖剥落,全世界的人都为之捏了一把汗,但毕竟绝热材料性能优异,并没有发生故障。
在地球上,以节能为目的,正在开展如何提高热力机热效率的研究工作,其中主要的一点,就在于开发绝热材料,“哥伦比亚号” 上用的硅砖,重量既轻,而高温冲击性能也好,有可能用它来制作燃气轮机的外壳等。另外,含有硅的金属绝热材料,也可用来制作燃料罐,用在以液态氢为燃料的飞机上。
制造硅砖的办法,是先把高纯二氧化硅纤维按一定方式固定起来,经过1000℃以上高温热处理,再制成一定形状,然后涂上特殊的玻璃涂层,使表面强化,并提高防水性能,最后进行一次热处理。
为了克服陶瓷先天性的脆性,美国航空和航天局,在所用的硅砖中,加入了含有少量硼的纤维,制成了抗拉强度更好的耐高温复合材料“FRCI”。据说这种材料将用在比现在的航天飞机更先进的第二代航天飞机上。至于第三代航天飞机上要用的低温砖,现在正在研究设法用铌、钽制成一种薄型材料,再在其表面镀上镍基合金或耐高温金属的防酸镀层。