高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金，”主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。

中文名

高溫合金

外文名

High-temperature Alloys

分    類

760℃、1200℃和1500℃高溫材料

應(yīng)    用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、能源領(lǐng)域

性    質(zhì)

抗氧化和抗熱腐蝕性能

定義

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料；并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。

基于上述性能特點(diǎn)，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750~780℃，對(duì)于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。 鎳基高溫合金在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)最熱端部件。

發(fā)展歷史

1、國(guó)際發(fā)展

從20世紀(jì)30年代后期起，英、德、美等國(guó)就開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，高溫合金的研究和使用進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期。40年代初，英國(guó)首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ相以進(jìn)行強(qiáng)化，研制成第一種具有較高的高溫強(qiáng)度的鎳基合金。同一時(shí)期，美國(guó)為了適應(yīng)活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器發(fā)展的需要，開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。

此外，美國(guó)還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。以后，冶金學(xué)家為進(jìn)一步提高合金的高溫強(qiáng)度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號(hào)的合金，如英國(guó)的“Nimonic”，美國(guó)的“Mar-M”和“IN”等;在鈷基合金中,加入鎳、鎢等元素，發(fā)展出多種高溫合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于鈷資源缺乏，鈷基高溫合金發(fā)展受到限制。

40年代，鐵基高溫合金也得到了發(fā)展，50年代出現(xiàn)A-286和Incoloy901等牌號(hào)，但因高溫穩(wěn)定性較差，從60年代以來發(fā)展較慢。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號(hào)的鎳基高溫合金，后來生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。70年代美國(guó)還采用新的生產(chǎn)工藝制造出定向結(jié)晶葉片和粉末冶金渦輪盤，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度不斷提高的需要。

發(fā)展至今，國(guó)際市場(chǎng)每年高溫金屬合金消費(fèi)量在30萬噸，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：過去多年，航天業(yè)對(duì)新能源飛機(jī)需求旺盛，目前空客與波音已有超萬架此類飛機(jī)等待交付。而精密機(jī)件公司是高溫合金復(fù)雜金屬零部件和產(chǎn)品制造的，也為航空航天、化學(xué)加工、石油和天然氣的冶煉以及污染的防治等行業(yè)提供所需的鎳鈷等高溫合金。精密機(jī)件公司就是波音、空客、勞斯萊斯、龐巴迪等航天企業(yè)的零配件制造商 [1]  。

2、國(guó)內(nèi)發(fā)展

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國(guó)高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個(gè)階段。

第一個(gè)階段：從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

第二個(gè)階段：從20世紀(jì)70年代中至90年代中期，是我國(guó)高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。

第三階段：從20世紀(jì)90年代中至今，是我國(guó)高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新合金。

目前，我國(guó)的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。

雖然高溫金屬合金材料在我國(guó)已發(fā)展近60年，但行業(yè)發(fā)展仍處于成長(zhǎng)期。由于高溫金屬合金材料領(lǐng)域具有較含量，該行業(yè)企業(yè)擁有較深護(hù)城河。我國(guó)高溫金屬合金每年需求量在2萬噸以上，國(guó)內(nèi)年生產(chǎn)量在1萬噸左右，市場(chǎng)容量超過80億元，其中進(jìn)口占比較大。未來20年我國(guó)各類軍機(jī)采購需求在2800架左右，民用飛機(jī)采購數(shù)量在5400架左右，對(duì)應(yīng)的高溫合金需求在1500億以上，再加上500億的燃?xì)廨啓C(jī)需求，僅高溫合金空間一項(xiàng)就有2000億的市場(chǎng)空間即將打開。

我國(guó)目前的生產(chǎn)能力與需求相比存在兩個(gè)缺口：（1）生產(chǎn)能力不足。目前我國(guó)高溫合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量有限，生產(chǎn)能力與需求之間存在較大缺口，在燃?xì)廨啓C(jī)、核電等領(lǐng)域的高溫合金主要還依賴進(jìn)口。（2）產(chǎn)品難以滿足應(yīng)用需求。我國(guó)的高溫合金生產(chǎn)水平與美國(guó)、俄羅斯等國(guó)有著較大差距，隨著我國(guó)研制更高性能的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)，高溫合金材料在供應(yīng)上存在無法滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)象 [1]  。

制備工藝

1、鑄造冶金工藝

目前各種先進(jìn)鑄件制造技術(shù)和加工設(shè)備在不斷開發(fā)和完善，如熱控凝固、細(xì)晶工藝、激光成形修復(fù)技術(shù)、耐磨鑄件鑄造技術(shù)等，原有技術(shù)水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性。

不含或少含鋁、鈦的高溫合金，一般采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時(shí)，元素?zé)龘p不易控制，氣體和夾雜物進(jìn)入較多，所以應(yīng)采用真空冶煉。為了進(jìn)一步降低夾雜物的含量，改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結(jié)晶組織，可采用冶煉和二次重熔相結(jié)合的雙聯(lián)工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應(yīng)爐和非真空感應(yīng)爐；重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。

固溶強(qiáng)化型合金和含鋁、鈦低（鋁和鈦的總量約小于4.5%）的合金錠可采用鍛造開坯；含鋁、鈦高的合金一般要采用擠壓或軋制開坯，然后熱軋成材，有些產(chǎn)品需進(jìn)一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機(jī)或快鍛液壓機(jī)鍛造。

2、結(jié)晶冶金工藝

為了減少或消除鑄造合金中垂直于應(yīng)力軸的晶界和減少或消除疏松，近年來又發(fā)展出定向結(jié)晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個(gè)結(jié)晶方向生長(zhǎng)，以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實(shí)現(xiàn)定向結(jié)晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立并保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件。此外，為了消除全部晶界，還需研究單晶葉片的制造工藝。

3、粉末冶金工藝

粉末冶金工藝，主要用以生產(chǎn)沉淀強(qiáng)化型和氧化物彌散強(qiáng)化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。

4、強(qiáng)度提高工藝

⑴固溶強(qiáng)化

加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點(diǎn)陣的畸變，加入能降低合金基體堆垛層錯(cuò)能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素?cái)U(kuò)散速率的元素（鎢、鉬等），以強(qiáng)化基體。

⑵ 沉淀強(qiáng)化

通過時(shí)效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以強(qiáng)化合金。γ‘相與基體相同，均為面心立方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)與基體相近，并與晶體共格，因此γ相在基體中能呈細(xì)小顆粒狀均勻析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。γ’相是A3B型金屬間化合物，A代表鎳、鈷，B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢，而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ‘相為Ni3(Al,Ti)。γ’相的強(qiáng)化效應(yīng)可通過以下途徑得到加強(qiáng)：

①增加γ‘相的數(shù)量；

②使γ’相與基體有適宜的錯(cuò)配度，以獲得共格畸變的強(qiáng)化效應(yīng)；

③加入鈮、鉭等元素增大γ’相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯(cuò)切割的能力；

④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ‘相的強(qiáng)度。γ"相為體心四方結(jié)構(gòu)，其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯(cuò)配度較大,能引起較大程度的共格畸變，使合金獲得很高的屈服強(qiáng)度。但超過700℃，強(qiáng)化效應(yīng)便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ相，而用碳化物強(qiáng)化。

材料特性

高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長(zhǎng)大、材料表面的氧化腐蝕。

1、耐高溫、耐腐蝕

高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。 以GH4169 鎳基變形高溫合金為例，可看出GH4169 合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析成都與冶金工藝直接相關(guān)，GH4169 基體為Ni-Gr 固溶體，含Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上可以承受1 000℃ 左右高溫，與美國(guó)牌號(hào)Inconel718 相似，合金由γ 基體相、δ 相、碳化物和強(qiáng)化相γ'和γ″相組成。GH4169 合金的化學(xué)元素與基體結(jié)構(gòu)顯示了其強(qiáng)大的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都優(yōu)于45 鋼數(shù)倍，塑性也要比45 鋼好。穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)和大量強(qiáng)化因子構(gòu)造了其優(yōu)良的力學(xué)性能。

1、加工難度高

高溫合金由于其復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，其加工表面完整性對(duì)于其性能的發(fā)揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料，其微觀強(qiáng)化項(xiàng)硬度高，加工硬化程度嚴(yán)重，并且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導(dǎo)熱率，切削區(qū)域的切削力和切削溫度高，在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)加工表面質(zhì)量低、刀具破損非常嚴(yán)重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會(huì)產(chǎn)生硬化層、殘余應(yīng)力、白層、黑層、晶粒變形層等過大的問題。

主要分類

傳統(tǒng)的劃分高溫合金材料可以根據(jù)以下3 種方式來進(jìn)行: 按基體元素種類、合金強(qiáng)化類型、材料成型方式來進(jìn)行劃分。

1、按基體元素種類

⑴鐵基高溫合金

鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素，加入少量的Ni、Cr 等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。

⑵鎳基高溫合金

鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1 000℃以上的工作條件，采用固溶、時(shí)效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強(qiáng)度大幅提升。目前就高溫環(huán)境使用的高溫合金來分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時(shí)鎳基高溫合金也是我國(guó)產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金． 很多渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個(gè)多世紀(jì)以來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀(jì)40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃應(yīng)該說，這一巨大提升也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發(fā)展。

⑶鈷基高溫合金

鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時(shí)需要加入Cr、Ni 等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個(gè)國(guó)家鈷資源產(chǎn)量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件( 600 ～ 1 000℃) 和較長(zhǎng)時(shí)間受極限復(fù)雜應(yīng)力高溫零部件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時(shí)添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其*的抗熱抗疲勞性。

2、合金強(qiáng)化類型

根據(jù)合金強(qiáng)化類型，高溫合金可以分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金。

⑴固溶強(qiáng)化型

所謂固溶強(qiáng)化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質(zhì)原子使固溶體基體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強(qiáng)化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯(cuò)能，提高位錯(cuò)分解的傾向，導(dǎo)致交滑移難于進(jìn)行，合金被強(qiáng)化，達(dá)到高溫合金強(qiáng)化的目的。

⑵時(shí)效沉淀強(qiáng)化

所謂時(shí)效沉淀強(qiáng)化即合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持其性能的一種熱處理工藝。例如:GH4169 合金，在650℃的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1 000 MPa，制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃。

3、材料成型方式

通過材料成型方式劃分有:鑄造高溫合金( 包括普通鑄造合金、單晶合金、定向合金等) 、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金( 包含普通粉末冶金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金)。

⑴鑄造高溫合金

采用鑄造方法直接制備零部件的合金材料叫鑄造高溫合金。根據(jù)合金基體成分劃分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金3 種類型。按結(jié)晶方式劃分，可以分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4 種類型。

⑵變形高溫合金

目前仍然是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用最多的材料，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都比較廣泛，我國(guó)變形高溫合金年產(chǎn)量約為美國(guó)的1 /8 [2]  。以GH4169 合金為例，它是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用范圍最多的一個(gè)主要品種． 我國(guó)主要在渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓、壓縮機(jī)及輪、甩油盤作為主要零件，隨著其他合金產(chǎn)品的日益成熟，變形高溫合金的使用量可能逐漸減少，但在未來數(shù)十年中仍然會(huì)是占主導(dǎo)地位。

⑶新型高溫合金

包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域．

①第三代粉末高溫合金的合金化程度提升，使其兼顧了前兩代的優(yōu)點(diǎn)，獲得了更高的強(qiáng)度較低的損傷，粉末高溫合金生產(chǎn)工藝日趨成熟，未來可能從以下幾個(gè)方面開展: 粉末制備、熱處理工藝、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、雙性能粉末盤;

②鈦鋁系金屬間化合物已經(jīng)開發(fā)到第四代，逐步向著多元微量和大量微元這兩個(gè)方向拓展，德國(guó)的漢堡大學(xué)，日本京都大學(xué)，德國(guó)的GKSS 中心等都進(jìn)行了廣泛的研究，鈦鋁系金屬間化合物現(xiàn)已應(yīng)用于船舶、生物醫(yī)用、體育用品領(lǐng)域;

③氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金是粉末高溫合金一部分，正在生產(chǎn)研制的有近20 余種，具有較高的高溫強(qiáng)度和低的應(yīng)力系數(shù)，廣泛的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)耐熱抗氧化部件、先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化工反應(yīng)釜等；

④耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，應(yīng)用于建筑及航天航空領(lǐng)域。

常用類型

1、GH4169高溫合金

GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種最復(fù)雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時(shí)，也是所有高溫合金中最為注目的一種合金。它的相對(duì)使用溫度在所有普通合金系中也是最高的。目前，先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中這種合金的比重在50%以上。

GH4169合金是由國(guó)際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公開介紹的時(shí)效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強(qiáng)化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和良好的塑性，具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定，成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能，目前被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片、渦輪盤、渦輪軸、機(jī)匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等 [3]  。

我國(guó)于70年代開始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤件，使用時(shí)間比較短，所以采用真空感應(yīng)加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，提高和改進(jìn)材料質(zhì)量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當(dāng)前GH4169合金的主要研究方向?yàn)椋?/span>

（1）改進(jìn)冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序穩(wěn)定操作，使合金顯微組織更加均勻，從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強(qiáng)度以及抗裂紋擴(kuò)展止裂能力，提高低周疲勞強(qiáng)度等；

（2）改進(jìn)熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的消除鋼錠中心的偏析，所以對(duì)組織的均勻性有不利影響，因此采用合理的均勻化退火工藝，得到細(xì)晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一；

（3）改進(jìn)使用設(shè)計(jì)。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)；

（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的長(zhǎng)壽命要求，對(duì)于提高GH4169合金長(zhǎng)期時(shí)效組織穩(wěn)定性方面也是至關(guān)重要的。

2、單晶高溫合金

目前單晶合金材料已發(fā)展到第四代，承溫能力提升到1140℃，已近金屬材料使用溫度極限。未來要進(jìn)一步滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，葉片的研制材料要進(jìn)一步拓展，陶瓷基復(fù)合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。

單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，普通復(fù)雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間。從單晶實(shí)心葉片到單晶空心葉片、到高效氣冷復(fù)雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復(fù)雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認(rèn)、模具設(shè)計(jì)到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時(shí)間。但單晶葉片由于其復(fù)雜的服役環(huán)境，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，一般一種普通結(jié)構(gòu)的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用需5～10年的時(shí)間，有的隨發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度，甚至需要15年或更長(zhǎng)的時(shí)間 [4]  。

主要應(yīng)用

1、航空航天領(lǐng)域

我國(guó)發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)研制先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，將帶來市場(chǎng)對(duì)和新型高溫合金的需求增加。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。

高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

2、能源領(lǐng)域

高溫合金在能源領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。煤電用高參數(shù)超超臨界發(fā)電鍋爐中，過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好，在蒸汽側(cè)抗氧化性能和在煙氣側(cè)抗腐蝕性能優(yōu)異的高溫合金管材；在氣電用燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪葉片和導(dǎo)向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金；在核電領(lǐng)域中，蒸汽發(fā)生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金；在煤的氣化和節(jié)能減排領(lǐng)域，廣泛采用抗高溫?zé)岣g和抗高溫磨蝕性能優(yōu)異的高溫合金；在石油和天然氣開采，特別是深井開采中，鉆具處于4-150 ℃的酸性環(huán)境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5]  。

我國(guó)上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機(jī)廠等大型發(fā)電設(shè)備制造集團(tuán)在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高，拉動(dòng)了對(duì)發(fā)電設(shè)備用的渦輪盤的需求。正在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制的新一代發(fā)電裝備－大型地面燃機(jī)（也可作艦船動(dòng)力）取得了顯著進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后將帶動(dòng)對(duì)高溫合金的需求。同時(shí)，核電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，也將拉動(dòng)對(duì)國(guó)產(chǎn)高溫合金的需求。

發(fā)展前景

1、含錸單晶葉片的研究

在單晶的成分設(shè)計(jì)中，要兼顧合金性能和工藝性能，由于單晶中不存在晶界，并應(yīng)用在較為苛刻的環(huán)境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發(fā)展，合金的化學(xué)成分具有如下變化趨勢(shì)：引入Re元素，引入Ru、Ir等鉑族元素，增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；難熔元素的加入總量增加，C、B、Hf等元素從“去除”轉(zhuǎn)為“使用”；降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩(wěn)定。

含錸單晶葉片大幅提升了其耐溫能力及蠕變強(qiáng)度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了鈷和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持久強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力達(dá)到很好的平衡。

含錸單晶葉片是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的趨勢(shì)。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，從而很快得到了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)界的普遍認(rèn)可，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片 [6]  。

2、新型高溫合金的研究

市場(chǎng)分析新型高溫合金主要包括：粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤(rùn)材料等四種：

粉末高溫合金技術(shù)：FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。該合金γ相的體積分?jǐn)?shù)為$,-左右，其形成元素的原子分?jǐn)?shù)為50%左右。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應(yīng)熔煉制取母合金，然后霧化制取預(yù)合金粉末，進(jìn)而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前650度工作條件下強(qiáng)度水平最高的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如渦輪盤和承力環(huán)件等 [7]  。

金屬間化合物用于制作各類先進(jìn)運(yùn)載工具動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)件，減少自重、提高效能；

ODS合金具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，也可用于火力發(fā)電系統(tǒng)、煤氣化爐、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等；

高溫金屬基自潤(rùn)滑材料主要用于生產(chǎn)高溫自潤(rùn)滑軸承，主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤(rùn)滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤(rùn)滑軸承（包括鑄鋼表面硫化處理軸承）在冶金設(shè)備上的應(yīng)用，該高溫自潤(rùn)滑軸承具有強(qiáng)度高、承載能力大、潤(rùn)滑效果好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、噪音小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) [6]  。