高溫合金定義

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)力作用下長期工作的一類金屬材料；并具有較高的高溫強度，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，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到750~780℃，對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)動機、各種工業(yè)燃氣輪機最熱端部件。

高溫合金特性

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)量分數(shù)在50%以上可以承受1 000℃ 左右高溫，與美國牌號Inconel718 相似，合金由γ 基體相、δ 相、碳化物和強化相γ'和γ″相組成。GH4169 合金的化學元素與基體結(jié)構(gòu)顯示了其強大的力學性能，屈服強度與抗拉強度都優(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)和大量強化因子構(gòu)造了其優(yōu)良的力學性能。

Ni Cr Mo Ti Nb A l Fe

51． 96 17． 98 3． 07 0． 95 4． 82 0． 45 余

表1 GH4169 的主要化學成分( 質(zhì)量分數(shù)%)

2、加工難度高

高溫合金由于其復雜、惡劣的工作環(huán)境，其加工表面完整性對于其性能的發(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，其微觀強化項硬度高，加工硬化程度嚴重，并且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導熱率，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、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會產(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。

高溫合金主要分類

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

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、時效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。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遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金． 很多渦輪發(fā)動機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。半個多世紀以來，航空發(fā)動機所應(yīng)用的高溫材料承受高溫能力從20 世紀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，但由于各個國家鈷資源產(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℃) 和較長時間受極限復雜應(yīng)力高溫零部件，例如航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動機等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。

2、合金強化類型

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

⑴固溶強化型

所謂固溶強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陣發(fā)生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯能，提高位錯分解的傾向，導致交滑移難于進行，合金被強化，達到高溫合金強化的目的。

⑵時效沉淀強化

所謂時效沉淀強化即合金工件經(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℃的最高屈服強度達1 000 MPa，制作葉片的合金溫度可達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)動機中使用最多的材料，在國內(nèi)外應(yīng)用都比較廣泛，我國變形高溫合金年產(chǎn)量約為美國的1 /8 [2] 。以GH4169 合金為例，它是國內(nèi)外應(yīng)用范圍最多的一個主要品種． 我國主要在渦輪軸發(fā)動機的螺栓、壓縮機及輪、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)十年中仍然會是占主導地位。

⑶新型高溫合金

包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細分產(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，獲得了更高的強度較低的損傷，粉末高溫合金生產(chǎn)工藝日趨成熟，未來可能從以下幾個方面開展: 粉末制備、熱處理工藝、計算機模擬技術(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方向拓展，德國的漢堡大學，日本京都大學，德國的GKSS 中心等都進行了廣泛的研究，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，具有較高的高溫強度和低的應(yīng)力系數(shù)，廣泛的應(yīng)用于燃氣輪機耐熱抗氧化部件、先進航空發(fā)動機、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。

高溫合金常用類型

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雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時，也是所有高溫合金中最為注目的一種合金。它的相對使用溫度在所有普通合金系中也是最高的。目前，先進的飛機發(fā)動機中這種合金的比重在50%以上。

GH4169合金是由國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′相為沉淀強化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強度、屈服強度和良好的塑性，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)動機的壓氣機盤、壓氣機軸、壓氣機葉片、渦輪盤、渦輪軸、機匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等 [3] 。

我國于70年代開始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤件，使用時間比較短，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。當前GH4169合金的主要研究方向為：

（1）改進冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實現(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)良的屈服和疲勞強度以及抗裂紋擴展止裂能力，提高低周疲勞強度等；

（2）改進熱處理工藝。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，得到細晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一；

（3）改進使用設(shè)計。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當加強零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點；

（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動機部件的長壽命要求，對于提高GH4169合金長期時效組織穩(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。未來要進一步滿足先進航空發(fā)動機的需求，葉片的研制材料要進一步拓展，陶瓷基復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)復雜性有關(guān)，普通復雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動機上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長的時間。從單晶實心葉片到單晶空心葉片、到高效氣冷復雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認、模具設(shè)計到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時間。但單晶葉片由于其復雜的服役環(huán)境，需要進行大量的驗證試驗，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)動機上應(yīng)用需5～10年的時間，有的隨發(fā)動機研制進度，甚至需要15年或更長的時間

高溫合金主要應(yīng)用

1、航空航天領(lǐng)域

我國發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)研制先進發(fā)動機，將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。

航空發(fā)動機被稱為“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。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、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)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。

在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、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；在氣電用燃氣輪機中，渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長期組織穩(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，廣泛采用抗高溫熱腐蝕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] 。

我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發(fā)電設(shè)備制造集團在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高，拉動了對發(fā)電設(shè)備用的渦輪盤的需求。正在進行國產(chǎn)化研制的新一代發(fā)電裝備－大型地面燃機（也可作艦船動力）取得了顯著進展，實現(xiàn)量產(chǎn)后將帶動對高溫合金的需求。同時，核電設(shè)備的國產(chǎn)化，也將拉動對國產(chǎn)高溫合金的需求。