高(gāo)溫合金定義
高(gāo)溫合金是指以鐵、鎳、钴爲基，能在600℃以上的(de)高(gāo)溫及一定應力作用(yòng)下(xià)長(cháng)期工作的(de)一類金屬材料；并具有較高(gāo)的(de)高(gāo)溫強度，良好的(de)抗氧化(huà)和(hé)抗腐蝕性能，良好的(de)疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高(gāo)溫合金爲單一奧氏體組織，在各種溫度下(xià)具有良好的(de)組織穩定性和(hé)使用(yòng)可(kě)靠性。
基于上述性能特點，且高(gāo)溫合金的(de)合金化(huà)程度較高(gāo)，又被稱爲“超合金”，是廣泛應用(yòng)于航空、航天、石油、化(huà)工、艦船的(de)一種重要材料。按基體元素來(lái)分(fēn)，高(gāo)溫合金又分(fēn)爲鐵基、鎳基、钴基等高(gāo)溫合金。鐵基高(gāo)溫合金使用(yòng)溫度一般隻能達到750~780℃，對(duì)于在更高(gāo)溫度下(xià)使用(yòng)的(de)耐熱(rè)部件，則采用(yòng)鎳基和(hé)難熔金屬爲基的(de)合金。 鎳基高(gāo)溫合金在整個(gè)高(gāo)溫合金領域占有特殊重要的(de)地位，它廣泛地用(yòng)來(lái)制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機最熱(rè)端部件。
高(gāo)溫合金特性
高(gāo)溫環境下(xià)材料的(de)各種退化(huà)速度都被加速，在使用(yòng)過程中易發生組織不穩定、在溫度和(hé)應力作用(yòng)下(xià)産生變形和(hé)裂紋長(cháng)大(dà)、材料表面的(de)氧化(huà)腐蝕。
1、耐高(gāo)溫、耐腐蝕
高(gāo)溫合金所具有的(de)耐高(gāo)溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的(de)化(huà)學組成和(hé)組織結構。 以GH4169 鎳基變形高(gāo)溫合金爲例，可(kě)看出GH4169 合金中铌含量高(gāo)，合金中的(de)铌偏析成都與冶金工藝直接相關，GH4169 基體爲Ni-Gr 固溶體，含Ni 質量分(fēn)數在50%以上可(kě)以承受1 000℃ 左右高(gāo)溫，與美(měi)國牌号Inconel718 相似，合金由γ 基體相、δ 相、碳化(huà)物(wù)和(hé)強化(huà)相γ'和(hé)γ″相組成。GH4169 合金的(de)化(huà)學元素與基體結構顯示了(le)其強大(dà)的(de)力學性能，屈服強度與抗拉強度都優于45 鋼數倍，塑性也(yě)要比45 鋼好。穩定的(de)晶格結構和(hé)大(dà)量強化(huà)因子構造了(le)其優良的(de)力學性能。
Ni Cr Mo Ti Nb A l Fe
51． 96 17． 98 3． 07 0． 95 4． 82 0． 45 餘
表1 GH4169 的(de)主要化(huà)學成分(fēn)( 質量分(fēn)數%)
2、加工難度高(gāo)
高(gāo)溫合金由于其複雜(zá)、惡劣的(de)工作環境，其加工表面完整性對(duì)于其性能的(de)發揮具有非常重要的(de)作用(yòng)。但是高(gāo)溫合金是典型難加工材料，其微觀強化(huà)項硬度高(gāo)，加工硬化(huà)程度嚴重，并且其具有高(gāo)抗剪切應力和(hé)低導熱(rè)率，切削區(qū)域的(de)切削力和(hé)切削溫度高(gāo)，在加工過程中經常出現加工表面質量低、刀(dāo)具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下(xià)，高(gāo)溫合金表層會産生硬化(huà)層、殘餘應力、白層、黑(hēi)層、晶粒變形層等過大(dà)的(de)問題。
高(gāo)溫合金主要分(fēn)類
傳統的(de)劃分(fēn)高(gāo)溫合金材料可(kě)以根據以下(xià)3 種方式來(lái)進行: 按基體元素種類、合金強化(huà)類型、材料成型方式來(lái)進行劃分(fēn)。
1、按基體元素種類
⑴鐵基高(gāo)溫合金
鐵基高(gāo)溫合金又可(kě)稱作耐熱(rè)合金鋼。 它的(de)基體是Fe 元素，加入少量的(de)Ni、Cr 等合金元素，耐熱(rè)合金鋼按其正火要求可(kě)分(fēn)爲馬氏體、奧氏體、珠光(guāng)體、鐵素體耐熱(rè)鋼等。
⑵鎳基高(gāo)溫合金
鎳基高(gāo)溫合金的(de)含鎳量在一半以上，适用(yòng)于1 000℃以上的(de)工作條件，采用(yòng)固溶、時(shí)效的(de)加工過程，可(kě)以使抗蠕變性能和(hé)抗壓抗屈服強度大(dà)幅提升。目前就高(gāo)溫環境使用(yòng)的(de)高(gāo)溫合金來(lái)分(fēn)析，使用(yòng)鎳基高(gāo)溫合金的(de)範圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵基和(hé)钴基高(gāo)溫合金用(yòng)處。同時(shí)鎳基高(gāo)溫合金也(yě)是我國産量最大(dà)、使用(yòng)量最大(dà)的(de)一種高(gāo)溫合金． 很多(duō)渦輪發動機的(de)渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也(yě)使用(yòng)鎳基合金作爲制備材料。半個(gè)多(duō)世紀以來(lái)，航空發動機所應用(yòng)的(de)高(gāo)溫材料承受高(gāo)溫能力從20 世紀40 年代末的(de)750℃提高(gāo)到90 年代末的(de)1 200℃應該說，這(zhè)一巨大(dà)提升也(yě)促使鑄造工藝加工及表面塗層等方面快(kuài)速發展。
⑶钴基高(gāo)溫合金
钴基高(gāo)溫合金是以钴爲基體，钴含量大(dà)約占60%，同時(shí)需要加入Cr、Ni 等元素來(lái)提升高(gāo)溫合金的(de)耐熱(rè)性能，雖然這(zhè)種高(gāo)溫合金耐熱(rè)性能較好，但由于各個(gè)國家钴資源産量比較少，加工比較困難，因此用(yòng)量不多(duō)。通(tōng)常用(yòng)于高(gāo)溫條件( 600 ～ 1 000℃) 和(hé)較長(cháng)時(shí)間受極限複雜(zá)應力高(gāo)溫零部件，例如航空發動機的(de)工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱(rè)端部件和(hé)航天發動機等。爲了(le)獲得(de)更優良的(de)耐熱(rè)性能，一般條件下(xià)要在制備時(shí)添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優越的(de)抗熱(rè)抗疲勞性。
2、合金強化(huà)類型
根據合金強化(huà)類型，高(gāo)溫合金可(kě)以分(fēn)爲固溶強化(huà)型高(gāo)溫合金和(hé)時(shí)效沉澱強化(huà)合金。
⑴固溶強化(huà)型
所謂固溶強化(huà)型即添加一些合金元素到鐵、鎳或钴基高(gāo)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生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強化(huà)。有些溶質原子可(kě)以降低合金系的(de)層錯能，提高(gāo)位錯分(fēn)解的(de)傾向，導緻交滑移難于進行，合金被強化(huà)，達到高(gāo)溫合金強化(huà)的(de)目的(de)。
⑵時(shí)效沉澱強化(huà)
所謂時(shí)效沉澱強化(huà)即合金工件經固溶處理(lǐ)，冷(lěng)塑性變形後，在較高(gāo)的(de)溫度放置或室溫保持其性能的(de)一種熱(rè)處理(lǐ)工藝。例如:GH4169 合金，在650℃的(de)最高(gāo)屈服強度達1 000 MPa，制作葉片的(de)合金溫度可(kě)達950℃。
3、材料成型方式
通(tōng)過材料成型方式劃分(fēn)有:鑄造高(gāo)溫合金( 包括普通(tōng)鑄造合金、單晶合金、定向合金等) 、變形高(gāo)溫合金、粉末冶金高(gāo)溫合金( 包含普通(tōng)粉末冶金和(hé)氧化(huà)物(wù)彌散強化(huà)高(gāo)溫合金)。
⑴鑄造高(gāo)溫合金
采用(yòng)鑄造方法直接制備零部件的(de)合金材料叫鑄造高(gāo)溫合金。根據合金基體成分(fēn)劃分(fēn)，可(kě)以分(fēn)爲鐵基鑄造高(gāo)溫合金、鎳基鑄造高(gāo)溫合金和(hé)鑽基鑄造高(gāo)溫合金3 種類型。按結晶方式劃分(fēn)，可(kě)以分(fēn)爲多(duō)晶鑄造高(gāo)溫合金、定向凝固鑄造高(gāo)溫合金、定向共晶鑄造高(gāo)溫合金和(hé)單晶鑄造高(gāo)溫合金等4 種類型。
⑵變形高(gāo)溫合金
目前仍然是航空發動機中使用(yòng)最多(duō)的(de)材料，在國内外應用(yòng)都比較廣泛，我國變形高(gāo)溫合金年産量約爲美(měi)國的(de)1 /8 [2] 。以GH4169 合金爲例，它是國内外應用(yòng)範圍最多(duō)的(de)一個(gè)主要品種． 我國主要在渦輪軸發動機的(de)螺栓、壓縮機及輪、甩油盤作爲主要零件，随著(zhe)其他(tā)合金産品的(de)日益成熟，變形高(gāo)溫合金的(de)使用(yòng)量可(kě)能逐漸減少，但在未來(lái)數十年中仍然會是占主導地位。
⑶新型高(gāo)溫合金
包括粉末高(gāo)溫合金、钛鋁系金屬間化(huà)合物(wù)、氧化(huà)物(wù)彌散強化(huà)高(gāo)溫合金、耐蝕高(gāo)溫合金、粉末冶金及納米材料等多(duō)種細分(fēn)産品領域．
①第三代粉末高(gāo)溫合金的(de)合金化(huà)程度提升，使其兼顧了(le)前兩代的(de)優點，獲得(de)了(le)更高(gāo)的(de)強度較低的(de)損傷，粉末高(gāo)溫合金生産工藝日趨成熟，未來(lái)可(kě)能從以下(xià)幾個(gè)方面開展: 粉末制備、熱(rè)處理(lǐ)工藝、計算(suàn)機模拟技術、雙性能粉末盤;
②钛鋁系金屬間化(huà)合物(wù)已經開發到第四代，逐步向著(zhe)多(duō)元微量和(hé)大(dà)量微元這(zhè)兩個(gè)方向拓展，德國的(de)漢堡大(dà)學，日本京都大(dà)學，德國的(de)GKSS 中心等都進行了(le)廣泛的(de)研究，钛鋁系金屬間化(huà)合物(wù)現已應用(yòng)于船舶、生物(wù)醫用(yòng)、體育用(yòng)品領域;
③氧化(huà)物(wù)彌散強化(huà)高(gāo)溫合金是粉末高(gāo)溫合金一部分(fēn)，正在生産研制的(de)有近20 餘種，具有較高(gāo)的(de)高(gāo)溫強度和(hé)低的(de)應力系數，廣泛的(de)應用(yòng)于燃氣輪機耐熱(rè)抗氧化(huà)部件、先進航空發動機、石油化(huà)工反應釜等；
④耐蝕高(gāo)溫合金主要用(yòng)于替代耐火材料和(hé)耐熱(rè)鋼，應用(yòng)于建築及航天航空領域。
高(gāo)溫合金常用(yòng)類型
1、GH4169高(gāo)溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高(gāo)溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高(gāo)溫合金。鎳基合金是一種最複雜(zá)的(de)合金。它被廣泛地應用(yòng)于制造各種高(gāo)溫部件。同時(shí)，也(yě)是所有高(gāo)溫合金中最爲注目的(de)一種合金。它的(de)相對(duì)使用(yòng)溫度在所有普通(tōng)合金系中也(yě)是最高(gāo)的(de)。目前，先進的(de)飛(fēi)機發動機中這(zhè)種合金的(de)比重在50%以上。
GH4169合金是由國際鎳公司亨廷頓分(fēn)公司的(de)Eiselstein研制成功，于1995年公開介紹的(de)時(shí)效硬化(huà)鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和(hé)面心立方g′相爲沉澱強化(huà)的(de)一種鎳基變形高(gāo)溫合金，在650℃以下(xià)具有高(gāo)的(de)抗拉強度、屈服強度和(hé)良好的(de)塑性，具有良好的(de)抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的(de)焊接和(hé)焊後成型性能等。合金在-253～650℃很寬的(de)溫度範圍内組織性能穩定，成爲在深冷(lěng)和(hé)高(gāo)溫條件下(xià)用(yòng)途極廣的(de)高(gāo)溫合金。由于GH4169良好的(de)綜合性能，目前被廣泛用(yòng)于航空發動機的(de)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(hé)其它結構件和(hé)闆材焊接件等 [3] 。
我國于70年代開始研制GH4169合金，主要應用(yòng)于盤件，使用(yòng)時(shí)間比較短，所以采用(yòng)真空感應加電渣重熔的(de)雙聯工藝。八十年代開始應用(yòng)于航空領域，提高(gāo)和(hé)改進材料質量、提高(gāo)合金的(de)綜合性能和(hé)使用(yòng)可(kě)靠性成爲主要的(de)研究方向。當前GH4169合金的(de)主要研究方向爲：
（1）改進冶煉工藝，量化(huà)冶煉參數，實現程序穩定操作，使合金顯微組織更加均勻，從而得(de)到優良的(de)屈服和(hé)疲勞強度以及抗裂紋擴展止裂能力，提高(gāo)低周疲勞強度等；
（2）改進熱(rè)處理(lǐ)工藝。目前的(de)熱(rè)處理(lǐ)工藝不能很好的(de)消除鋼錠中心的(de)偏析，所以對(duì)組織的(de)均勻性有不利影(yǐng)響，因此采用(yòng)合理(lǐ)的(de)均勻化(huà)退火工藝，得(de)到細晶坯料成爲現在的(de)主要研究方向之一；
（3）改進使用(yòng)設計。由于GH4169的(de)工作溫度不能高(gāo)于650℃，所以應當加強零部件的(de)冷(lěng)卻，充分(fēn)發揮該高(gāo)溫合金的(de)高(gāo)性能、低成本等優點；
（4）提高(gāo)組織穩定性能。由于航空發動機部件的(de)長(cháng)壽命要求，對(duì)于提高(gāo)GH4169合金長(cháng)期時(shí)效組織穩定性方面也(yě)是至關重要的(de)。
2、單晶高(gāo)溫合金
目前單晶合金材料已發展到第四代，承溫能力提升到1140℃，已近金屬材料使用(yòng)溫度極限。未來(lái)要進一步滿足先進航空發動機的(de)需求，葉片的(de)研制材料要進一步拓展，陶瓷基複合材料有望取代單晶高(gāo)溫合金滿足熱(rè)端部件在更高(gāo)溫度環境下(xià)的(de)使用(yòng)。
單晶高(gāo)溫合金葉片研制難度和(hé)周期與其結構複雜(zá)性有關，普通(tōng)複雜(zá)程度的(de)單晶葉片研制周期較短，但在航空發動機上應用(yòng)也(yě)需經曆較長(cháng)的(de)時(shí)間。從單晶實心葉片到單晶空心葉片、到高(gāo)效氣冷(lěng)複雜(zá)空心葉片等，技術難度跨度很大(dà)，相應的(de)研制周期跨度也(yě)較大(dà)。一般一種普通(tōng)複雜(zá)程度的(de)單晶空心葉片從圖紙确認、模具設計到試制、再到小批投産，需要1～2年時(shí)間。但單晶葉片由于其複雜(zá)的(de)服役環境，需要進行大(dà)量的(de)驗證試驗，一般一種普通(tōng)結構的(de)單晶空心葉片從研制出來(lái)以後到航空發動機上應用(yòng)需5～10年的(de)時(shí)間，有的(de)随發動機研制進度，甚至需要15年或更長(cháng)的(de)時(shí)間
高(gāo)溫合金主要應用(yòng)
1、航空航天領域
我國發展自主航空航天産業研制先進發動機，将帶來(lái)市場(chǎng)對(duì)高(gāo)端和(hé)新型高(gāo)溫合金的(de)需求增加。
航空發動機被稱爲“工業之花”，是航空工業中技術含量最高(gāo)、難度最大(dà)的(de)部件之一。作爲飛(fēi)機動力裝置的(de)航空發動機，特别重要的(de)是金屬結構材料要具備輕質、高(gāo)強、高(gāo)韌、耐高(gāo)溫、抗氧化(huà)、耐腐蝕等性能，這(zhè)幾乎是結構材料中最高(gāo)的(de)性能要求。
高(gāo)溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下(xià)長(cháng)期工作的(de)金屬材料。高(gāo)溫合金是爲了(le)滿足現代航空發動機對(duì)材料的(de)苛刻要求而研制的(de)，至今已成爲航空發動機熱(rè)端部件不可(kě)替代的(de)一類關鍵材料。目前，在先進的(de)航空發動機中，高(gāo)溫合金用(yòng)量所占比例已高(gāo)達50%以上。
在現代先進的(de)航空發動機中，高(gāo)溫合金材料用(yòng)量占發動機總量的(de)40%~60%。在航空發動機上，高(gāo)溫合金主要用(yòng)于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和(hé)渦輪盤四大(dà)熱(rè)段零部件；此外，還(hái)用(yòng)于機匣、環件、加力燃燒室和(hé)尾噴口等部件。
2、能源領域
高(gāo)溫合金在能源領域中有著(zhe)廣泛的(de)應用(yòng)。煤電用(yòng)高(gāo)參數超超臨界發電鍋爐中，過熱(rè)器和(hé)再過熱(rè)器必須使用(yòng)抗蠕變性能良好，在蒸汽側抗氧化(huà)性能和(hé)在煙(yān)氣側抗腐蝕性能優異的(de)高(gāo)溫合金管材；在氣電用(yòng)燃氣輪機中，渦輪葉片和(hé)導向葉片需要使用(yòng)抗高(gāo)溫腐蝕性能優良和(hé)長(cháng)期組織穩定的(de)抗熱(rè)腐蝕高(gāo)溫合金；在核電領域中，蒸汽發生器傳熱(rè)管必須選用(yòng)抗溶液腐蝕性能良好的(de)高(gāo)溫合金；在煤的(de)氣化(huà)和(hé)節能減排領域，廣泛采用(yòng)抗高(gāo)溫熱(rè)腐蝕和(hé)抗高(gāo)溫磨蝕性能優異的(de)高(gāo)溫合金；在石油和(hé)天然氣開采，特别是深井開采中，鑽具處于4-150 ℃的(de)酸性環境中，加之CO2，H2S和(hé)泥沙等的(de)存在，必須采用(yòng)耐蝕耐磨高(gāo)溫合金 [5] 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大(dà)型發電設備制造集團在生産規模和(hé)生産技術等方面近年來(lái)有了(le)較大(dà)提高(gāo)，拉動了(le)對(duì)發電設備用(yòng)的(de)渦輪盤的(de)需求。正在進行國産化(huà)研制的(de)新一代發電裝備－大(dà)型地面燃機（也(yě)可(kě)作艦船動力）取得(de)了(le)顯著進展，實現量産後将帶動對(duì)高(gāo)溫合金的(de)需求。同時(shí)，核電設備的(de)國産化(huà)，也(yě)将拉動對(duì)國産高(gāo)溫合金的(de)需求。
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