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高溫合金GH4145

GH4145化學(xué)成分：

碳C：≤0.08

鉻Cr：14.0～17.0

鎳Ni：≥70.0

鋁Al：0.40～1.00

鈦Ti：2.25～2.75

鐵Fe：5.00～9.00

鈮Nb+Ta：0.70～1.20

鈷Co：≤1.00

錳Mn：≤1.00

硅Si：≤0.50

硫S：≤0.010

銅Cu：≤0.50

磷P：≤0.015

合金元素性能一覽表：

鎳(Ni)：鎳能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對(duì)酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。

鉻（Cr）：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。

鉬(Mo)：鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力(長(zhǎng)期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱(chēng)蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機(jī)械性能。 還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。

鈷(Co)：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材料。

鎢(W)：鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛模具用。

鈦(Ti)：鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力；降低時(shí)效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。

釩(V)：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。

鈮(Nb)：鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過(guò)熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。在鐵基中加入以鈮為主的微合金元素組成的合金。鈮屬難熔金屬，熔點(diǎn)為2467℃，在1093～1427℃溫度范圍內(nèi)強(qiáng)度較高。同鎢合金和鉬合金相比，鈮合金塑性好，加工和焊接性能優(yōu)良，因而能制成薄板和外形復(fù)雜的零件，可用作航天和航空工業(yè)的熱防護(hù)和結(jié)構(gòu)材料。鈮合金的工業(yè)生產(chǎn)，首先將粉末制成合金坯條，然后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)法或熔鑄法獲得錠坯或鑄件，但以熔鑄法用得最多，熔鑄法又以電子?xùn)|熔煉和電弧爐熔煉為主。鈮合金在低溫下（-196℃）仍有較好的塑性。同鉬和鎢相比，鈮的合金元素種類(lèi)多，加入量高。銅(Cu)：武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過(guò)0.5%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于0.50%對(duì)焊接性無(wú)影響。

鋁(Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

應(yīng)用趨勢(shì)：高溫合金通常的工作溫度超過(guò)600℃，在高溫下的強(qiáng)度、延展性、抗蠕變性能以及抗腐蝕能力都很強(qiáng)。對(duì)于高溫合金零部件，增材制造技術(shù)不僅能夠縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，還能優(yōu)先考慮功能設(shè)計(jì)，非常適用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴、葉片、燃燒室等熱端部件，以及航天飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜零部件。近年來(lái)，高溫合金增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，已在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多項(xiàng)應(yīng)用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用鎳基合金增材制造零部件

賽峰集團(tuán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)中渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要制造商之一。該集團(tuán)GH4145微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增材制造的鎳基合金噴嘴，并作為AW189型直升機(jī)的輔助動(dòng)力裝置的核心部件之一。

GH4145渦輪噴嘴采用選區(qū)激光熔化3D打印工藝制造，采用鎳基合金X代替?zhèn)鹘y(tǒng)上使用的鉻鎳鐵合金鑄件。傳統(tǒng)的渦輪噴嘴由八個(gè)組件組成，通過(guò)3D打印允許將其切割成僅僅四個(gè)部件，使得噴嘴比原來(lái)輕了35％。采用3D打印技術(shù)制造渦輪噴嘴也縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，3D打印組件可以在幾天內(nèi)就完成制造。

GH4145擁有有史以來(lái)首個(gè)最大的3D打印民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件

公司通過(guò)與英國(guó)制造技術(shù)中心（MTC）合作，在XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)中采用3D打印制造了鎳基合金前軸承座結(jié)構(gòu)件，該部件直徑1.5米、厚0.5米，大小類(lèi)似于拖拉機(jī)輪胎。該組件并非整體，其包含的48個(gè)氣動(dòng)形狀的葉片組件也是采用増材制造技術(shù)制成。

巡航導(dǎo)彈等高超聲速武器使用高溫合金增材制造燃燒室

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是高超聲速武器的源動(dòng)力之一，其整個(gè)結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中整體會(huì)處于非常高的溫度狀態(tài)，當(dāng)飛行速度為6倍聲速時(shí)，燃燒室溫度達(dá)2700 K左右，進(jìn)口處的溫度甚至也達(dá)到1500K。

高超聲速武器發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻結(jié)構(gòu)

如此高的溫度普遍使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，即再生冷卻結(jié)構(gòu)，其水力直徑約2 mm，比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻通道尺寸更小。2016年，美國(guó)ATK公司采用激光粉末床熔融技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了燃燒室的一次性整體成型，不僅大幅降低了設(shè)計(jì)與制備難度，而且有效提高了燃燒室的整體性能，而高溫合金就是制造燃燒室的主要材料。

增材制造鎳基合金用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件

2017年，美國(guó)洛克達(dá)因公司與美國(guó)空軍合作開(kāi)發(fā)了價(jià)值約1.15億美元的AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，旨在取代俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。

AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用3D打印制造了一種高強(qiáng)度、耐燒蝕性好的鎳基超金屬合金材料(Mondaloy200?)，用于制造轉(zhuǎn)子和流體之間傳遞能量的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，此前俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)部件需要金屬涂層，而這種新材料則無(wú)需涂層。

空客部署高溫合金大型工業(yè)級(jí)金屬增材制造系統(tǒng)

2016年，西亞基公司向空客交付的電子束增材制造(EBAM)110系統(tǒng)，能夠在打印過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，可用于許多金屬和難熔合金，如鐵、鉭、鈮、鎢、鎳和不銹鋼等。

EBAM 110系統(tǒng)建造尺寸為1778×1194×1600 mm

從諸多報(bào)道也可以看出，當(dāng)前電子束3D打印正普遍用于高溫合金的成型，除了上述案例，最為知名的當(dāng)屬GE在近兩年大批采購(gòu)和使用ACRAM EBM打印機(jī)，其生產(chǎn)的鈦鋁合金葉片已經(jīng)應(yīng)用于GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，相比傳統(tǒng)使用的鎳基合金輕50％左右，具有更加優(yōu)異的強(qiáng)度重量比。?

高溫合金增材制造作為目前的研究熱點(diǎn)與前沿方向，主要圍繞鈦合金、鎳基高溫合金、鈷鉻高溫合金等材料開(kāi)展大量技術(shù)與應(yīng)用研究。該應(yīng)用方向主要開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：開(kāi)發(fā)模型、性能預(yù)測(cè)、高溫合金增材制造標(biāo)準(zhǔn)化等。未來(lái)，高溫合金增材制造將成熟用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、軍用發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等裝備，主要在燃?xì)馐?、渦輪葉片、渦輪盤(pán)等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器裝備的生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

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海洋，海水應(yīng)用：精密合金、高溫應(yīng)用彈簧、高強(qiáng)度、抗耐磨、高強(qiáng)度、抗磨損、高溫合金高抗氧化等。常溫應(yīng)用、高耐腐蝕性、高抗拉強(qiáng)度等。