在世界先進發動機研製中，高溫（wēn）合金（jīn）材料（liào）用量已占（zhàn）到發動（dòng）機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發（fā）動機（jī）基石”。這段時間，小編將帶大家（jiā）深度了解先進高（gāo）溫合金的製備工藝，分析測試以及應（yīng）用。

高溫合金簡介

高溫合金，顧名思義（yì）就是能（néng）在（zài）較高溫度（900℃以上）環境內使用，並在一定應（yīng）力條件下長時（shí）間服役的合金。高溫合金分為三類材（cái）料:760℃高溫（wēn）材（cái）料、1200℃高（gāo）溫材料和1500℃高（gāo）溫材料（liào），抗拉強度800MPa。或者（zhě）說是指在760--1500℃以上及一定應力條件下長期工作的高溫金屬材料，具（jù）有優異的（de）高溫強度，良好的抗氧化和（hé）抗熱腐蝕性能，良（liáng）好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部（bù）件不可替代的關鍵材料[1]。

 

 

圖1 高溫合金製（zhì）成的航空（kōng）發動機單（dān）晶葉（yè）片

 

廣義（yì）上的高溫合金指的是能夠在高溫下抗（kàng）氧化或腐蝕，並能在一定應力作用下長期（qī）工作的一類合金，包括鑄造高溫合金（jīn）、金屬間化合物等高溫金屬材料。狹義上的高溫合金是（shì）以鐵、鎳、鈷為基，能在大約600℃以上（shàng）的高溫下抗（kàng）氧化或腐蝕，並能在一定應力作用下長期工作的一類（lèi）合金。高溫合金自誕生（shēng）以來從原來的鐵、鎳、鈷為基，不斷發展和演變，以及引（yǐn）入新的加工工藝，從傳統的鑄造高溫合金（jīn）和變形高溫合金，發展出粉末高溫合金、氧化物彌散強化（ODS）合金、金屬間化合物等新型高溫合金，從而大大擴展了（le）高溫合金（jīn）的內涵。

 

高溫（wēn）合金大致可（kě）以分為以下幾類：

製造方式（shì）

分類

特點

軍工應用

鑄造高溫合金

等軸多（duō）晶

合金程度高，多種強化手段，成型性能好，比變形高溫合金的（de）工作溫度高。

鍋輪葉片，航天發動機精鑄件

定（dìng）向凝固柱晶

1000度以上使用，性能較等軸多晶更優

航空發動（dòng）機葉片，導向（xiàng）葉片（piàn）等

單晶

1200度（dù）以上，具有極強的高溫合金性質（zhì）

下一代航空發動機鍋輪（lún）葉片，它的性（xìng）質很大程度上決定了航空發動機的發展

變形高溫合金

鐵基變形高溫合金

700度以下使用，鎳含量少於50%，抗氧化性弱

中國50年代使用的渦（wō）輪盤，燃燒室（shì）零件

鎳基變形高溫合金

650-1000度以上使用，鎳含量高於50%，熱性能良好

應用廣（guǎng）泛，主要（yào）用於（yú）航天發動機板材、棒材、盤鍛件及燃燒室等。

鈷基變形高溫合（hé）金

730-1000度使用，鎳基合金的升級版

鈷金屬非常稀少，屬戰略資源，應（yīng）用很少（shǎo）

新型高溫合金

粉末冶金高溫合金（jīn）

使用（yòng）溫度可達1000度，組織（zhī）均勻，熱（rè）加工性（xìng）能良好，熱疲勞性（xìng）良好（hǎo）

航天發（fā）動機（jī）渦輪盤（pán）、渦輪擋板、鼓筒軸

ODS高溫合金

使用（yòng）溫度高，屈服強度（dù）高，高溫蠕變性能好

航天發（fā）動機我輪盤，封嚴盤（pán）、渦輪擋板

金（jīn）屬（shǔ）間化（huà）合物高溫合金

高溫抗氧化性好、剛度大（dà）、密度低、彈（dàn）性模量好

航（háng）天結構器件和發動機器件

 

高溫合金在材料工（gōng）業中主要是為航空航天（tiān）產業服務。伴隨著航空航天（tiān）產業的發展，我國已經建立起自己的高溫合金（jīn）體係，從而形成了一定的產業規模（mó）。高溫合金由（yóu）於其優良的耐（nài）高溫、耐腐蝕（shí）、抗疲勞等性能，已經（jīng）逐步應用到電力、汽車、冶金、玻璃（lí）製造、原子能等（děng）工業領域，從而大大擴展了對高溫合金的需求。

高溫合金製備工（gōng）藝

 

圖2 高溫合金的（de）幾種成型（xíng）方法的工藝路線

 

高溫合金所（suǒ）具有的耐（nài）高溫、耐腐蝕等性能主要取決於它的化學組（zǔ）成和組織（zhī）結構。

 

高（gāo）溫合金材料成分十分（fèn）複雜，含有鉻、鋁等活潑元（yuán）素，在氧化或熱腐蝕環境中（zhōng）表現為化學不穩（wěn）定，同時機（jī）加（jiā）工製成的零件表麵留下加工硬化和殘餘應力等缺陷（xiàn），為材料的化學性能和力學性能帶來十分不利的影響。由於合金化程度高，高溫合金材料極易產生成分偏析，這種偏析對鑄造高（gāo）溫合金和變形高（gāo）溫合金的組織與性能都有重（chóng）大影響。高溫合金的這些特點決定了（le）它區別於普通金屬材料的（de）加工工藝[1, 2]。

 

高溫合金的發展是（shì）合金理論與生產工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（jīn）的材料（liào）性能。合金強化包括合金固溶強化、第二相強（qiáng）化劑晶界強化等；工（gōng）藝強化包括改善冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理及（jí）表麵處理等環節改（gǎi）善合金組織結構等。

 

高溫合金的生產工藝主要包含熔煉、鑄（zhù）造（zào）、熱處（chù）理三個過程。生產工（gōng）藝對高溫合金（jīn）材料力學性能的影響重大，一項新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個飛躍，發展一批新型高溫合金（jīn），進而推動一代航空發（fā）動機和航空飛機的發展。老型號的合金也可以改善工藝達到材料性能的提高。

 

高溫合金材料製（zhì）備（bèi）技（jì）術（shù）與工藝仍處於不斷的進步和創新中（zhōng）。比如，冶煉（liàn）工藝采用了真空感應+電渣重（chóng）熔+真（zhēn）空自豪熔煉三聯工藝，真空自耗熔煉采用（yòng）了先進熔煉控（kòng）製方法等；通過定向凝固柱晶合金和單晶合（hé）金（jīn）工藝技術提高材料的高溫強度；采用（yòng）粉（fěn）末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。此外，氧化物彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發展（zhǎn）和創新中。

 

粉（fěn）末冶金氧化物彌散強化（ODS）高溫合金製備工藝

 

粉末冶金高溫合金是20世紀60年代發展起來的一種先進髙溫合金製備工藝,由於用極細（xì）的金屬粉末作為原材料,經過熱（rè）固結成型及後續熱加工處理得到的合（hé）金組織均勻,晶粒細小,無宏觀偏析現象,而且合（hé）金的高溫強度、蠕變性能及疲勞性（xìng）能優異,因此很快成為航空發動機、核工業的耐熱（rè）部件的首選材料[3]。

 

氧化物彌散（sàn）強（qiáng）化（huà）(ODS)高溫合金是（shì）一類粉末高溫合金,其突出特點是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強度。對於傳統（tǒng）高溫合金及粉末高溫合金（jīn）來說（shuō）,Y'析出相及碳(氮)化物強化是其主要的強化手段。但在高溫下,Y'析出相及碳（tàn）(氮)化物發（fā）生粗化和溶解於基體而失去強化作用。

 

氧化物彌散強化(ODS)高溫合金,是將細小的（de）氧（yǎng）化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分（fèn）散（sàn）於高溫合金基體中,通過阻礙位錯的運動而產生強（qiáng）化效果的一類合金。

 

在已（yǐ）經（jīng）發展的高溫合（hé）金中，多采用沉澱強（qiáng）化（huà）來提高材料的強（qiáng）度，當材（cái）料的服役溫度達到一個臨界值時，沉（chén）澱（diàn）相就（jiù）不可避免的發生聚集、長（zhǎng）大及溶解從而（ér）大大降低材料的高溫強（qiáng）度。於是，人們通過粉末冶金的（de）途徑在合金基體中均勻（yún）加入在高溫狀態下具有高穩定性的細小氧化物來提髙材料的高溫強度。但是，通過傳統的（de）冶煉及冶金技術（shù）不可能將這種般細小氧化物（d＜50nm）均勻加入基體中，從而限製了這種氧化物彌散強化合金的（de）發展。直到（dào）70年（nián）代初INCO公司率先發明了機械合金（jīn）化(MA)新工藝，解決了ODS合金氧（yǎng）化（huà）物均勻分（fèn）布的問題，使合（hé）金（jīn）得到快速發展，其中某些合金己經（jīng）達到工業化生（shēng）產水平。

 

以下將以氧化物彌散強化高溫合金為例，了解高溫合金的製備工藝[4]。

 

粉末的製備

 

高溫合金粉末的製備有三種製粉工藝:氣（qì）體霧（wù）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（fāng）法有著本質的差（chà）異,其關鍵是將超細的氧化物（wù）質點均（jun1）勻分（fèn）散於合（hé）金粉末中。常用的是以下四（sì）種方法：

 

(l)機械合金化(MA)法

 

機械合金化是用高（gāo）能研磨機或球磨機實現固態合金化的（de）過程,由（yóu）美國INCO公司於上世紀六十（shí）年代末研發,是異類物質實現微混合的最（zuì）有效方法。現在,ODS高溫合金大多數是（shì）采用MA技術將超細的氧（yǎng）化（huà）物顆粒均勻地分散到合金基體中。含有彌（mí）散氧化物顆粒的機械合金化粉末經固結處理後,便可得到密實的合金材料,機械合金化（huà）是製備ODS高溫合金的關鍵技術（shù）之一（yī）。

 

(2)內氧化法

 

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

 

(3)化學共沉澱法

 

化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（jì）,並把pH控製值在適（shì）當範圍內,以製備出超細顆粒的前驅（qū）體沉澱物,再經陳化、過濾、洗滌、幹燥以及熱分解得到納米級的複合氧化物粉末。

 

(4)預合金霧化粉末

 

將預先配置好的合（hé）金在霧（wù）化過程惰性氣體的（de）保護下進行熔化,在霧化氣體中加入氧氣,使霧化液滴在冷凝過程中氧化增氧,控製氣氛（fēn）中氧（yǎng）的含量獲得（dé）不同的氧含量的霧化氣體,並通過霧化參數的控製獲得要求的粉末粒度[5]。

 

熱固結成型

 

鬆（sōng）散的高溫合金粉末隻有通（tōng）過固結工（gōng）藝,才能得到完全致密化的材料。固結的主（zhǔ）要方法有熱（rè）等靜壓(HIP)、熱擠壓等。

 

(1)熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)

 

熱（rè）等靜壓是一種在真空條件下利（lì）用高溫高壓手段將粉（fěn）末熱固結成（chéng）型的工藝。

 

熱等靜壓工（gōng）藝的關鍵在於溫度（dù）、壓力和時間的（de）控製,首先熱等靜壓（yā）的溫度不能（néng）過高,這（zhè）樣可以避免彌散相的長大（dà）;其次,熱等靜（jìng）壓的壓力選擇應（yīng）高於相對應溫度合金材料的屈服應力,使粉（fěn）末顆（kē）粒能夠有效變形並發生冶金結合,消除（chú）材料空隙,提高合金致密度;保壓（yā）時間的（de）選擇也很關鍵,時間太（tài）長已經致（zhì）密化的合金在高溫高壓條件下組織發生變化,時（shí）間太短則不能有效致（zhì）密化。

 

(2)熱擠壓（yā）(hotextrusion,HE)

 

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

 

 

圖3 熱（rè）擠（jǐ）製備ODS合金工藝過程[6]

 

熱擠壓過程中,大剪切力可（kě）以有效消除原始顆（kē）粒邊界,大（dà）幅度提高合（hé）金的致密（mì）度。大塑性變形過程中（zhōng）形成高密度位錯,增加（jiā）了合金的儲能,有利於後續熱處理過程中形成較粗大的（de）晶粒,提高合金的高溫性能（néng）。擠壓比、擠壓速（sù）率和溫度都是影響ODS合金顯微組織和力學性能的主要因素,通常,在較大的擠壓比、較低的擠壓溫度和較（jiào）高的擠壓速率下（xià）熱固結（jié）成型,合金內部可（kě）形成（chéng）較高的位錯（cuò）密度分布及儲能,利於合金元素的（de）擴（kuò）散及（jí）Y-Ti-0相的形成,同時,經過熱處理能夠形成沿擠壓方（fāng）向（xiàng）的柱狀晶組織,可以有效提高合金的高（gāo）溫蠕變性能[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冶金合金的孔隙率,提高致密度（dù）,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（kē）粒邊界形成冶金結合。

高溫合金（jīn）行業概況

全球範圍內能夠生產航空航（háng）天用高（gāo）溫（wēn）合金的企業不超過（guò）50家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日（rì）本和中國。發達國家一般將涉及航空航（háng）天（tiān）應用領域的高溫合金產品作為戰略軍事物資，很少出口。

 

美國在高溫合（hé）金研（yán）發以及應用方麵一直處於世界領先地位，年產量約（yuē）為5萬噸，其中近50%用於民用工業。美國有很多獨立的（de）高溫合金公司，能夠生產航（háng）空發（fā）動機所用高溫合金的（de）公司有通用電氣公司，普特拉—惠特尼（ní）公司，還有其他的生產特鋼和高溫合金的（de）公司如漢因斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克貢公司，因科國際公司等。這（zhè）些公（gōng）司（sī）都先（xiān）後發展了公司自己的高溫合金牌號。

 

歐盟（méng）國家中英、德、法是世界上主要的高溫合（hé）金生產（chǎn）和研發代表。英國是世界上最早研究和開（kāi）發高溫合金的國家之一（yī）。英國的鑄造（zào）合金技術世界領先，代表性的是國（guó）際鎳公司的Nimocast合金，後來該國的飛機發動機製造商羅爾斯（sī）羅伊斯控股公司又研製（zhì）了定向凝固和單晶合金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）。

 

日本在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性（xìng）高溫合（hé）金和氧化物晶粒彌散強化高溫合金方麵取得（dé）較大的成功。近年來（lái），致力於開發新型的耐高溫合金，並成功開發出在1200℃高溫下（xià）依然能保持足夠強（qiáng）度的新合金。日本主要的高溫合金生（shēng）產企業是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶製鋼公司。

 

經過50多年發展，我（wǒ）國已經形成了比較先進，具有一定規模的生產基地。我們把國內從事高溫合金（jīn）的廠家分為（wéi）四類：

 

1、特鋼（gāng）生產廠：東北特殊鋼（gāng）鐵接團撫（fǔ）順特殊鋼公司（簡稱撫順特（tè）鋼），寶鋼股份公司特殊鋼事業（yè）部（簡稱寶鋼特鋼）和攀鋼集團長城特殊（shū）鋼公司（簡稱攀長鋼）；

2、研究單位：鋼鐵研究（jiū）總院，北京航空材料研究院，中國科學院金屬研究所，東北大學，北京科技大學等。

3、發（fā）動機公司精密鑄件廠：中航工業旗下（xià）各航空發動機公司的精密鑄造廠：黎明、西（xī）航、黎陽、南方、貴航等。

4、鍛件熱加工廠：西南鋁業公司，第（dì）二重（chóng）型（xíng）機械集團萬航模鍛廠，中航重機股份（fèn）有限公司宏遠（yuǎn）航空（kōng）鍛鑄公司和安（ān）大航空鍛造公司。

 

目前，國內規模較大的高溫合金生產企業（yè）有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼特鋼、攀長鋼、中科院（yuàn）金屬所、北京航材院也具備一定的產能。

 

在航空航（háng）天產（chǎn）業中（zhōng），用量最大的變型高溫合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長鋼等公司完成。特鋼企業生產的變型高溫合金，適用於（yú）大批（pī）量、通用性、結構較為簡（jiǎn）單的產品。鋼研（yán）高納在上（shàng）市後也擴（kuò）大了變形高溫合金產能，募投項目達產後也具備了相當的變型高溫合金產能。

 

目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類（lèi）是鋼研高納、中科院金屬所和北（běi）京（jīng）航材院三家公（gōng）司；另一類是黎明、西（xī）航、南方、成發等專業發動機廠自行生產精鑄件。三家單位主要承接航天航空發動機（jī）廠對外委托的精鑄件業務。目前三家單位在鑄造高溫合金的材料製備、生產技術上均有各自特點，其中鋼研高納產能大於其餘兩家。