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。

發(fā)展歷史

1、國際發(fā)展

從20世紀30年代后期起，英、德、美等國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)動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發(fā)展時期。40年代初，英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ'相以進行強化，研制成第一種具有較高的高溫強度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應活塞式航空發(fā)動機用渦輪增壓器發(fā)展的需要，開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。

此外，美國還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發(fā)動機的燃燒室。以后，冶金學家為進一步提高合金的高溫強度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號的合金，如英國的“Nimonic”，美國的“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，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“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，后來生產“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。70年代美國還采用新的生產工藝制造出定向結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，以適應航空發(fā)動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。

發(fā)展至今，國際市場每年高溫金屬合金消費量在30萬噸，廣泛應用于各個領域：過去多年，全球航天業(yè)對新能源飛機需求旺盛，空客與波音已有超萬架此類飛機等待交付。而精密機件公司是全球高溫合金復雜金屬零部件和產品制造的龍頭企業(yè)，也為航空航天、化學加工、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。精密機件公司就是波音、空客、勞斯萊斯、龐巴迪等軍工航天企業(yè)的指定零配件制造商?[1]??。

2、國內發(fā)展

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

第一個階段：從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(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。

第二個階段：從20世紀70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號的發(fā)動機，提高高溫合金生產工藝技術和產品質量控制。

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

我國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、中國科學院金屬研究所、北京科技大學、東北大學、西北工業(yè)大學等，主要生產企業(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械集團萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎上，我國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已發(fā)展近60年，但行業(yè)發(fā)展仍處于成長期。由于高溫金屬合金材料領域具有較高技術含量，該行業(yè)企業(yè)擁有較深護城河。我國高溫金屬合金每年需求量在2萬噸以上，國內年生產量在1萬噸左右，市場容量超過80億元，其中進口占比較大。未來20年我國各類軍機采購需求在2800架左右，民用飛機采購數(shù)量在5400架左右，對應的高溫合金需求在1500億以上，再加上500億的燃氣輪機需求，僅高溫合金空間一項就有2000億的市場空間即將打開。

我國生產能力與需求相比存在兩個缺口：

（1）生產能力不足。我國高溫合金生產企業(yè)數(shù)量有限，生產能力與需求之間存在較大缺口，在燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。

（2）高端產品難以滿足應用需求。我國的高溫合金生產水平與美國、俄羅斯等國有著較大差距，隨著我國研制更高性能的航空航天發(fā)動機，高溫合金材料在供應上存在無法滿足應用需求的現(xiàn)象?[1]??。

制備工藝

1、鑄造冶金工藝

各種先進鑄件制造技術和加工設備在不斷開發(fā)和完善，如熱控凝固、細晶工藝、激光成形修復技術、耐磨鑄件鑄造技術等，原有技術水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產品的質量一致性和可靠性。

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爐冶煉。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時，元素燒損不易控制，氣體和夾雜物進入較多，所以應采用真空冶煉。為了進一步降低夾雜物的含量，改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結晶組織，可采用冶煉和二次重熔相結合的雙聯(lián)工藝。冶煉的主要手段有電弧爐、真空感應爐和非真空感應爐；重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。

固溶強化型合金和含鋁、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，有些產品需進一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造。

2、結晶冶金工藝

為了減少或消除鑄造合金中垂直于應力軸的晶界和減少或消除疏松，近年來又發(fā)展出定向結晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結晶方向生長，以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實現(xiàn)定向結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，主要用以生產沉淀強化型和氧化物彌散強化型高溫合金。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、強度提高工藝

⑴固溶強化

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

⑵ 沉淀強化

通過時效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以強化合金。γ‘相與基體相同，均為面心立方結構，點陣常數(shù)與基體相近，并與晶體共格，因此γ相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出，阻礙位錯運動，而產生顯著的強化作用。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’相的強化效應可通過以下途徑得到加強：

①增加γ‘相的數(shù)量；

②使γ’相與基體有適宜的錯配度，以獲得共格畸變的強化效應；

③加入鈮、鉭等元素增大γ’相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯切割的能力；

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

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、在溫度和應力作用下產生變形和裂紋長大、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構。 以GH4169 鎳基變形高溫合金為例，可看出GH4169 合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析程度與冶金工藝直接相關，GH4169 基體為Ni-Gr 固溶體，含Ni 質量分數(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構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)定的晶格結構和大量強化因子構造了其優(yōu)良的力學性能。

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，在加工過程中經常出現(xiàn)加工表面質量低、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會產生硬化層、殘余應力、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。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鈷基鑄造高溫合金3 種類型。按結晶方式劃分，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

仍然是航空發(fā)動機中使用最多的材料，在國內外應用都比較廣泛，我國變形高溫合金年產量約為美國的1 /8?[2]??。以GH4169 合金為例，它是國內外應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品領域．

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、雙性能粉末盤;

②鈦鋁系金屬間化合物已經開發(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)已應用于船舶、生物醫(yī)用、體育用品領域;

③氧化物彌散強化高溫合金是粉末高溫合金一部分，正在生產研制的有近20 余種，具有較高的高溫強度和低的應力系數(shù)，廣泛的應用于燃氣輪機耐熱抗氧化部件、先進航空發(fā)動機、石油化工反應釜等；

④耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，應用于建筑及航天航空領域。