在世界先進（jìn）發動機研製中，高溫合金材料用量已占到發動機總（zǒng）量的40%~60%。所（suǒ）以，高溫合金材料也被譽為“先進（jìn）發動機基石”。這段時間，小編將帶大家深度了解先進高溫合金的製備工藝，分析測試以及（jí）應用。

高溫合金簡介

高溫合金，顧名（míng）思義就是能（néng）在較（jiào）高溫度（900℃以上）環境內使用，並在一定應力條件下長時間服役的合金。高（gāo）溫合金分（fèn）為三（sān）類材料（liào）:760℃高溫材料、1200℃高溫（wēn）材料和1500℃高溫材料，抗拉強度800MPa。或者說是指在760--1500℃以上及（jí）一定應力條件下長期工作的（de）高溫金屬材料，具（jù）有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲（pí）勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃氣渦輪發動機（jī）熱端部（bù）件不可替代的（de）關（guān）鍵材料（liào）[1]。

 

 

圖1 高溫合金製成的航空發動機單晶葉片（piàn）

 

廣義上的高（gāo）溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定應（yīng）力作用下長期工作的（de）一類合金，包括鑄造高溫合金、金屬間化合物（wù）等高溫金屬材料。狹義上的高溫合金（jīn）是以鐵、鎳、鈷為基，能在大（dà）約600℃以（yǐ）上的高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定應力作用（yòng）下長期工作的一類（lèi）合金（jīn）。高溫合金自誕生以來從原來的鐵、鎳、鈷為基，不斷發展（zhǎn）和演變，以及引入新的（de）加工工藝，從傳統的鑄造高溫合金和變形高溫合金，發展出粉末高溫合金、氧化物（wù）彌散強化（ODS）合金、金屬間化合物等新型高溫（wēn）合金，從而大（dà）大（dà）擴展了高溫合金（jīn）的（de）內涵。

 

高溫合金大致（zhì）可以分為以下幾類：

製（zhì）造方（fāng）式

分類

特點

軍工應用

鑄（zhù）造高溫合金（jīn）

等（děng）軸多晶

合金程度高，多種強化手（shǒu）段，成型性能好，比變形高溫合金的工作溫（wēn）度高。

鍋輪葉片，航天發動機精鑄件

定向凝固柱晶

1000度以上使用，性能較等（děng）軸多晶更優

航空發動（dòng）機葉片，導向葉片等

單晶

1200度以上，具有極強的高溫合金性質

下一（yī）代航空發動機（jī）鍋輪（lún）葉片，它的性質很大程度上決定了（le）航空發動機的發展

變形高溫合金

鐵基變形高溫（wēn）合金

700度以下使用，鎳含量少於50%，抗氧化性弱

中國50年代使（shǐ）用的渦輪盤，燃燒室零件

鎳基變形（xíng）高（gāo）溫合（hé）金

650-1000度以上使用，鎳含（hán）量高於50%，熱性能良好

應用廣泛，主要用於航天發動機板（bǎn）材、棒材、盤鍛件及（jí）燃（rán）燒室等。

鈷基變形高（gāo）溫（wēn）合金

730-1000度使用，鎳基（jī）合金的升級版

鈷金（jīn）屬非常（cháng）稀少，屬（shǔ）戰略資源，應用很少

新型高溫合金

粉末冶金高溫合金

使用溫度可達1000度，組織均（jun1）勻，熱加工性能良好，熱疲勞（láo）性良好（hǎo）

航天發動機渦輪盤、渦輪擋板、鼓筒軸

ODS高溫合金

使用溫度高（gāo），屈服強度高，高溫蠕變性能好

航天發動機我輪盤，封嚴（yán）盤、渦輪擋板

金屬間化合物高溫合金

高溫抗氧化性好、剛度大、密度低、彈性模量好

航天結構（gòu）器件和發動（dòng）機器件

 

高溫合金在材料工業中主要是為航（háng）空航天（tiān）產業服務（wù）。伴隨著航空航天產業的發（fā）展，我國已經建立起自己的高溫合（hé）金體係，從而形成了一定的產業規模（mó）。高溫合金由於其（qí）優良的（de）耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等性能，已經逐步應（yīng）用到電力、汽車、冶金、玻璃製造、原子能（néng）等工業領域，從而大大擴展了對高溫合金的需求。

高溫（wēn）合金製備工藝

 

圖2 高（gāo）溫合金的（de）幾種成型（xíng）方法的工藝路線

 

高溫合金所具有的耐（nài）高溫、耐腐蝕等性能主要取決於它的化學（xué）組成和組織結構。

 

高溫合金材料成分十分（fèn）複雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環境中表現為（wéi）化學不穩（wěn）定，同時（shí）機加工製（zhì）成的零件表麵留下加工（gōng）硬化和殘餘應力等（děng）缺陷，為材（cái）料的化學性能和（hé）力學性（xìng）能（néng）帶來十分不利的影（yǐng）響。由於（yú）合金化程度高，高溫合金材料極易產生成分偏析，這種偏析對鑄造高溫合金和（hé）變形高溫合金的組織與性能都有（yǒu）重大影響。高溫合金的這些特點（diǎn）決定（dìng）了它區（qū）別於普通金屬材料的加工工（gōng）藝[1, 2]。

 

高溫合金（jīn）的（de）發展是合金理論與生產工（gōng）藝技術不斷改善和革新的過程，通過合金強化+工藝強化來結合不斷提高合金的材料性能。合金強化包括合金固溶強化、第二相強化劑晶界強化等；工藝強化包括改善冶（yě）煉、凝固結晶、熱加（jiā）工、熱處理及表麵處理等環節改善合金組織（zhī）結構等。

 

高溫合金的生產工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個過程（chéng）。生（shēng）產工藝對高溫（wēn）合金材料力學性（xìng）能的影響重大（dà），一項新工（gōng）藝（yì）的引入，往往使高溫合金（jīn）的性能獲得一個飛躍，發展一批新型高溫合（hé）金，進而推動（dòng）一代航空發（fā）動機和航空飛機的發（fā）展。老型號的合（hé）金也可以改善工藝達到材料性能的提高。

 

高溫合金（jīn）材料製備技術與工藝仍處於不斷（duàn）的進步和創新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應+電渣重熔+真（zhēn）空（kōng）自豪熔煉三聯工藝，真空自耗熔煉（liàn）采用了先進（jìn）熔煉控製方法等；通過定向凝固柱晶合金和（hé）單晶合金工藝技（jì）術提高材料（liào）的高溫（wēn）強度；采用粉末冶金方法減少（shǎo）合金元素的偏析和提高材（cái）料強（qiáng）度等。此外，氧化物彌散強化高（gāo）溫合金（jīn）、金屬間（jiān）化合物高溫材料（liào）也在（zài）不斷發展和創（chuàng）新（xīn）中。

 

粉末冶（yě）金氧化物彌散強化（ODS）高溫（wēn）合金製備工藝

 

粉末冶金高溫合金是20世紀60年代發展起來的（de）一種先進髙溫合金製（zhì）備工藝,由於用極細的金屬粉末作為原材料,經過熱固結成型及後續熱（rè）加工處理得到的合金組織均勻,晶粒細小,無宏觀（guān）偏析現象,而且合（hé）金（jīn）的高溫（wēn）強度、蠕變性（xìng）能及疲（pí）勞性能優異,因此很快成為航空發動機、核（hé）工業的耐熱部件的首選材料[3]。

 

氧化物彌散（sàn）強（qiáng）化(ODS)高溫合金是一類粉末高溫合金,其（qí）突出特點是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強度（dù）。對於傳統高溫合金及粉末（mò）高溫合金來說,Y'析出相（xiàng）及碳(氮)化物強化是其主要的（de）強化手段。但在高溫下,Y'析出相及碳(氮)化物發生粗化和溶解於基體而失（shī）去（qù）強化作用。

 

氧化物彌散強化（huà）(ODS)高溫合金,是將細（xì）小的氧化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分散於高溫合金基體中,通過阻（zǔ）礙位錯（cuò）的運（yùn）動而產生強化效果的一類合（hé）金。

 

在已經發展的高溫合金中，多采（cǎi）用沉澱強化（huà）來提高材料的（de）強（qiáng）度，當材料的服役溫度達到一個臨界值（zhí）時，沉（chén）澱相就不（bú）可避免的發生聚集、長大及溶解從而大大降低材料的（de）高（gāo）溫強度。於是（shì），人們通過粉末冶金的途徑在合（hé）金基體中均勻加入在高（gāo）溫狀態下具有高（gāo）穩定性的細小氧化物來提髙材料的高溫強度。但是，通（tōng）過傳統的冶煉及冶金技術（shù）不可（kě）能將這種般（bān）細小氧化物（wù）（d＜50nm）均勻加入基體中，從而限製了這（zhè）種氧化物（wù）彌散強化合金的發展。直到70年代初INCO公司率先（xiān）發明了機械合金化(MA)新工藝，解決了ODS合金氧化物（wù）均勻分布（bù）的問題，使合金得到快速發展（zhǎn），其中某些合金己經達到工業化生產水平。

 

以下將以氧化物彌散強化高溫合（hé）金為例（lì），了解高溫合金的製備工藝[4]。

 

粉末的（de）製備

 

高溫合金粉末的製備有三（sān）種製粉工（gōng）藝:氣體霧化法、旋轉電極法、真空霧化法。而ODS高溫合金粉末的製備方法與上述製粉方法有著本（běn）質的差異,其關鍵是將超細的氧化物質點（diǎn）均勻分散於合金粉末中。常用的是以下四種方法：

 

(l)機械合金化(MA)法

 

機械合金化是用高能（néng）研磨機或球磨機實現固態合金（jīn）化的過程,由美國INCO公司於上世紀六十年代末研（yán）發,是異類物質實現（xiàn）微混合（hé）的最有效方法。現在,ODS高溫合金大多數是采用MA技術將超細的（de）氧化物顆粒均勻地分散到合金基體中。含有彌散氧化物顆粒的機械合金化（huà）粉末經（jīng）固結處理（lǐ）後,便可得到密實的合金材料,機械合金化是製備ODS高溫（wēn）合金（jīn）的關（guān）鍵技術之一。

 

(2)內氧化法

 

內氧化法是利用合金中含量（liàng）少、並且對氧有很強（qiáng）親和力的合金元素與氧反應,生成氧化物質點作為彌散相。

 

(3)化學共沉澱法

 

化（huà）學共沉澱法的原理是在所配製的溶液中加入合適的沉澱劑,並把pH控製（zhì）值在（zài）適當範圍（wéi）內,以製備出超細顆粒的前驅（qū）體沉澱物,再經陳化、過濾、洗滌、幹燥以及熱（rè）分解得到納米級的複（fù）合氧化物粉末。

 

(4)預合金（jīn）霧化粉末（mò）

 

將預先配（pèi）置好的合金在霧化過程惰性氣體的保護下進行熔化,在霧化氣體中加入氧氣,使（shǐ）霧（wù）化液滴在冷凝過（guò）程中氧化增氧,控製氣氛中氧的含量獲（huò）得不同的氧含量的霧化（huà）氣體（tǐ）,並通過霧化（huà）參數的控製獲得要求（qiú）的粉末粒（lì）度[5]。

 

熱固結成型

 

鬆散的高溫合金粉末隻有通過固結工藝,才能得到完全致密化的（de）材料。固（gù）結的主要方法有熱等靜壓(HIP)、熱擠（jǐ）壓等。

 

(1)熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)

 

熱等靜壓是一種在真空條件下利用高溫高壓手段（duàn）將粉末熱固結（jié）成型的工藝。

 

熱等靜壓工藝的（de）關鍵在於溫度、壓力和時間的控製,首（shǒu）先熱等（děng）靜壓的溫度不能過高,這樣可以避免彌散相的長大;其次,熱等靜壓的壓力選擇應高於相對應溫度合金材料的屈服應力,使（shǐ）粉末顆粒能夠有（yǒu）效變形並發（fā）生冶金結合,消除材料空隙,提高合金致密度;保壓時間的選擇也很（hěn）關鍵,時間太長已經致密化的合金在高溫高（gāo）壓條件下組織發生（shēng）變化（huà）,時間太短則不能有效致密化。

 

(2)熱擠壓(hotextrusion,HE)

 

ODS高溫合（hé）金一般采用熱擠壓工藝固結,可以將粉末包套直（zhí）接擠壓成形,也可以將合金化粉末經熱等靜壓密實後再進（jìn）行二次擠壓成形,如圖所示。

 

 

圖3 熱擠製備ODS合金工藝過程[6]

 

熱擠（jǐ）壓過程中,大剪切力可（kě）以（yǐ）有效消除原始顆粒邊界,大幅度提高合金的致密（mì）度。大塑性變形過程中形成高密度位錯,增加了合（hé）金的儲能,有利於後續熱處理過程中形成較粗大的晶粒,提高合金的高溫性能。擠壓比（bǐ）、擠壓速率和溫度都是影響ODS合金（jīn）顯微組織和力學性能（néng）的主要因素,通常,在較大的擠壓比、較低的擠壓（yā）溫度和（hé）較高的擠壓速率（lǜ）下熱固結成型,合金內部可形成較高的位錯密度分布及儲能,利於合金元素的擴散及Y-Ti-0相的形成,同時（shí）,經過熱處理能夠形成沿擠壓方向的柱狀晶組織,可以（yǐ）有（yǒu）效（xiào）提高（gāo）合金的高溫蠕變性（xìng）能[7, 8]。

 

熱擠壓相對熱等靜壓固結成型,能夠產生更大的變形能力和密度更髙的致密體,合金的組織和性能有較大的區別。

 

熱機械處理

 

通過熱機械處理,可以進一步減少粉末（mò）冶金合金的（de）孔隙率,提高（gāo）致密度,同時可以是合金微觀組織結構更均勻,也可以進一步使原始粉（fěn）末顆粒邊界形成冶金結合。

高溫合金行業概況

全球範圍（wéi）內能夠生產航空航（háng）天用高溫合（hé）金的企業不超過50家，主要集中在美國、俄羅斯、英（yīng）國、法（fǎ）國、德國、日本和中國。發達國家一般將涉及航空航（háng）天應用領域的高溫合金產品作為（wéi）戰略（luè）軍（jun1）事物（wù）資，很少出口。

 

美國在（zài）高溫合金研發（fā）以及應（yīng）用方麵一直處於世界領先地位，年產量約為（wéi）5萬噸，其中近50%用於民用工業。美國有很（hěn）多獨立的高溫合金公司，能夠（gòu）生產航空發動機所（suǒ）用高溫合金的公司有通用電（diàn）氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有（yǒu）其他的生產特鋼和高溫合金（jīn）的公司如（rú）漢因斯-斯泰特公（gōng）司，佳能（néng）—穆斯克貢公司（sī），因科國際公司等。這些公司都先後發展了公司自己的高溫合金牌號。

 

歐（ōu）盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產和（hé）研發代表。英國是（shì）世界上最早（zǎo）研究和開發高溫合金的國家（jiā）之一。英國的鑄造（zào）合金技術世界領先，代表性的是國際鎳公司的Nimocast合金（jīn），後來該國的飛機發動機製（zhì）造商羅（luó）爾斯（sī）羅（luó）伊斯控股公司又研製了定向凝固和單晶（jīng）合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研製的高溫合金主要用在航空發動機製造方麵（miàn）。

 

日本在鎳基單晶（jīng）高溫合金、鎳基超塑性高溫合（hé）金和氧化物（wù）晶粒彌散強化（huà）高溫合金方麵取（qǔ）得較大的成功。近年來，致力於開發新型的耐高溫合（hé）金，並成功（gōng）開發出在（zài）1200℃高溫下依然能保持足夠強度的新合金。日本主要的高（gāo）溫合金生產企業是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神（shén）戶製鋼公司。

 

經過50多年發展（zhǎn），我國（guó）已經形成了比較先（xiān）進，具有一定規模的生產基地。我們把國內（nèi）從事高溫合金的廠家分為四（sì）類：

 

1、特鋼生產（chǎn）廠：東北特殊鋼鐵接團撫順特殊鋼公司（簡稱撫順特鋼），寶鋼股（gǔ）份公司特殊鋼（gāng）事（shì）業部（簡稱寶（bǎo）鋼特鋼）和攀鋼集團長城特殊鋼公司（簡稱攀長鋼）；

2、研究（jiū）單位：鋼鐵研究總院，北（běi）京航空材料研究（jiū）院，中國科學院金屬研（yán）究所，東北大學，北京科（kē）技大學等。

3、發動機公司精（jīng）密鑄（zhù）件廠：中航工業（yè）旗下各航空發動機公司的精密鑄造廠：黎明、西航、黎陽、南方、貴航等。

4、鍛件熱加工廠：西南（nán）鋁業公司（sī），第二重型機械集團萬航模鍛廠，中航重機股份有限公司宏遠（yuǎn）航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司。

 

目前，國（guó）內規（guī）模較大的高溫合金生產企業有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼（gāng）特鋼、攀長鋼、中（zhōng）科（kē）院金屬所、北京航（háng）材院也具備一定的產能。

 

在航空航天產業中，用量最大的變型高溫合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長鋼等公司（sī）完成。特鋼企（qǐ）業生產的變型高溫合金，適用於大批量、通用（yòng）性（xìng）、結構較為簡單的（de）產品。鋼研（yán）高納在上市後也擴大了變形高溫合金（jīn）產能，募投項目（mù）達產後也具備了相當的變型高溫合金（jīn）產能。

 

目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類是鋼研高納、中（zhōng）科院金屬所和北京航材院三家公司；另一類是黎明、西航、南方、成發（fā）等專業發動機廠自行生產精鑄件。三家單位主要（yào）承接航天航空發動機（jī）廠對外委（wěi）托的精鑄件業務。目前三家單位在鑄造高溫合金的（de）材料製備、生產技（jì）術上均有各自特點，其中鋼研高納產能大於其餘（yú）兩家。