在世界先進發動機研製中，高溫合金材料用量已（yǐ）占到發動機總（zǒng）量的40%~60%。所以，高溫合金材料也（yě）被譽為“先進發（fā）動機基石（shí）”。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（cè）試以及應用。

高溫合金簡介

高溫合金，顧名思義就是能在較高溫（wēn）度（900℃以上）環境內使用，並在一定應力條件下（xià）長時（shí）間（jiān）服役的（de）合金。高溫合金分為三類材料:760℃高溫（wēn）材料、1200℃高溫材料和1500℃高（gāo）溫材料，抗拉強度（dù）800MPa。或者說是指在760--1500℃以上及一定（dìng）應力條件下長期工作的（de）高溫金屬材料，具有（yǒu）優異的高溫強度，良（liáng）好（hǎo）的抗氧化和（hé）抗熱腐蝕性能（néng），良（liáng）好的疲勞性能、斷裂韌性（xìng）等綜合性（xìng）能，已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部件（jiàn）不可替代的關鍵材料[1]。

 

 

圖1 高溫合金製成的航（háng）空發動機單晶葉片（piàn）

 

廣義上的高溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定（dìng）應力作用（yòng）下長期工作的（de）一類合金，包（bāo）括鑄造高溫合金、金屬間化合物等（děng）高溫金屬材料（liào）。狹義上的高溫（wēn）合金（jīn）是以鐵、鎳、鈷為基，能在大約600℃以上的高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定應力作用下長（zhǎng）期（qī）工作的（de）一類合金。高溫合金自誕生以來從（cóng）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（wēn）合金和變形高溫合金，發展出粉末高（gāo）溫（wēn）合（hé）金、氧化物彌散強化（ODS）合金、金屬間化合物等（děng）新型高溫合金，從而大大擴展了高溫合金的（de）內涵。

 

高溫合金大致可以分為以下幾類：

製造方式（shì）

分類

特點

軍工應用

鑄造高溫合（hé）金

等軸多晶

合（hé）金程度高，多（duō）種強化手段，成（chéng）型性（xìng）能（néng）好，比變形高溫合金的（de）工作溫度高。

鍋輪葉（yè）片，航天發動（dòng）機精鑄件

定向凝（níng）固柱晶

1000度以上使用，性能（néng）較等軸多晶更優

航空發（fā）動機葉片，導向（xiàng）葉（yè）片（piàn）等

單晶

1200度以上，具有極強的高溫合金性（xìng）質（zhì）

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

變形高溫合金（jīn）

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年代使用的渦輪盤，燃燒室零件（jiàn）

鎳基變形高（gāo）溫（wēn）合金

650-1000度以上使用，鎳含量高於50%，熱性能良好

應用廣泛，主要用於航天發動機板材、棒材、盤鍛件及燃燒室等。

鈷基變形高溫合金

730-1000度使用，鎳基合金的升級版

鈷金（jīn）屬非常稀少，屬戰略（luè）資源，應用很少

新型（xíng）高溫合金

粉末冶金高溫合金

使用溫度可達1000度，組織均勻，熱（rè）加工性能良好，熱疲勞性良好（hǎo）

航天發動（dòng）機渦輪盤（pán）、渦輪擋板、鼓（gǔ）筒（tǒng）軸

ODS高溫合金

使用溫（wēn）度高，屈服強度高（gāo），高溫蠕變性能好

航天發動機我輪盤，封嚴盤、渦輪擋板（bǎn）

金屬間化合物高溫合金

高溫抗氧（yǎng）化性好、剛度（dù）大、密度低、彈性模量好

航（háng）天結構器件和發動（dòng）機器件（jiàn）

 

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

高溫（wēn）合金製備工藝

 

圖2 高溫合金的幾種（zhǒng）成型方法（fǎ）的工藝（yì）路線

 

高（gāo）溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等（děng）性能主要取決於它（tā）的化學組成（chéng）和組織結構。

 

高溫合金材料成（chéng）分十分複雜，含有鉻（gè）、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環境中表現（xiàn）為化學不穩定，同時機（jī）加（jiā）工（gōng）製成的零件表麵留下加工（gōng）硬化和殘餘應力等（děng）缺陷，為材料的化學性能和力學性能帶來十分不利的影響。由（yóu）於合金化程度高，高溫合金材料極易產生成分偏析，這（zhè）種偏析對鑄（zhù）造高溫合金和變形高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（diǎn）決定了它區別於普通金屬材料的加工工（gōng）藝[1, 2]。

 

高溫合金的發展是合金理論與生產工藝技術不（bú）斷改善（shàn）和革新的過（guò）程，通過合金強（qiáng）化+工藝強化來結合（hé）不斷提高合金的材料性能（néng）。合金強化包（bāo）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煉、凝固結晶、熱加工、熱（rè）處理及表麵處理等環節（jiē）改善合（hé）金組織結（jié）構等。

 

高溫合金的生產工藝主要包含熔煉、鑄（zhù）造、熱處理三個過程。生產工藝（yì）對高溫合金材（cái）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（néng）獲（huò）得一個飛躍，發展一批新型高溫合金，進而推動一代航（háng）空發動機和航空飛（fēi）機的發展。老（lǎo）型號的合（hé）金也可以改善工藝達到材料性能的提（tí）高。

 

高溫合金材料製備技術（shù）與工藝仍處於（yú）不斷的進步和創新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應+電渣重熔+真空（kōng）自豪熔（róng）煉三聯工藝，真空自耗熔煉采（cǎi）用了先進熔（róng）煉控製（zhì）方法（fǎ）等；通（tōng）過定（dìng）向凝固柱晶合金和單晶合（hé）金工藝技術提高材料的高（gāo）溫強度（dù）；采用粉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（hé）物高溫材料也在不斷發展和創新中。

 

粉末冶金氧化物彌散強化（ODS）高溫合金製備工藝（yì）

 

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

 

氧（yǎng）化物彌散強化(ODS)高溫合金（jīn）是一類粉末高溫（wēn）合金,其突出特點是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強度。對於傳統高溫合金（jīn）及粉末高溫合金來說,Y'析（xī）出相及碳(氮)化物（wù）強化是其主要的強化手段。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去強化作用。

 

氧化物彌散強化(ODS)高溫合金,是將細小的氧化（huà）物顆（kē）粒(一般選用Y2O3)均勻地分散（sàn）於高溫合金基體中,通過阻礙位錯的（de）運動而產生強化效果的一類合金（jīn）。

 

在已經發展的高溫合金中，多采用沉澱強化來提高材料的（de）強度，當材料的（de）服役溫（wēn）度達（dá）到（dào）一個臨界值時，沉澱相就不可避免的發（fā）生（shēng）聚集、長大及溶解從而大（dà）大降低（dī）材料的高溫強度。於是，人們通過粉末冶金的途徑在合金（jīn）基體中均（jun1）勻加入在高溫狀態下具有高穩定性的細小氧化物來（lái）提髙材料的高溫強度。但是，通過傳統的冶（yě）煉及冶金技術不可能將這種般細（xì）小氧化（huà）物（d＜50nm）均勻加入基體中，從而限製了這種氧化（huà）物彌散強化合金的發展。直到70年代初INCO公司率先發明了機械合金化(MA)新工藝，解決了ODS合金氧化物均（jun1）勻分布的問題，使合金得（dé）到快速發展，其中某些合金己經達到工業化（huà）生（shēng）產水平。

 

以（yǐ）下將以氧化（huà）物（wù）彌散強化高溫合金（jīn）為例，了解高溫合金（jīn）的製備工（gōng）藝[4]。

 

粉末的製備（bèi）

 

高溫合金粉末的製備有三（sān）種製粉工藝（yì）:氣體霧化法、旋轉電極法、真空霧（wù）化（huà）法。而ODS高溫合金粉末的製備方法與上述（shù）製粉方（fāng）法（fǎ）有著本質的差異,其關（guān）鍵是將超細的氧化物質點均勻分散於合金粉末中（zhōng）。常用的是以下四種方（fāng）法：

 

(l)機械合金（jīn）化(MA)法（fǎ）

 

機械合金（jīn）化（huà）是用高能（néng）研磨機或球磨機實（shí）現固態合金化的過程,由美國INCO公司於上世紀六十年代末研（yán）發,是異類物質實現微混合的最有效方（fāng）法。現在,ODS高溫合金大多（duō）數是采（cǎi）用MA技術將超細的氧化物顆粒均勻地分散（sàn）到合金基體中。含有彌散氧化物顆粒（lì）的機械合金化粉（fěn）末經固（gù）結處理後,便可得到密（mì）實的合金材料,機械合金（jīn）化（huà）是製備ODS高溫合金的關鍵技術之一。

 

(2)內氧化法

 

內氧化法是利（lì）用合（hé）金中含（hán）量（liàng）少、並（bìng）且對氧有很強親和力的合金元素與氧反應,生成氧化（huà）物質點作為彌散相。

 

(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控製值在適當範圍內,以製備出超（chāo）細顆粒的前驅體沉澱物,再經陳化、過濾、洗滌、幹燥（zào）以及熱分（fèn）解得到納米級的複合氧化物粉末。

 

(4)預合金霧化粉末（mò）

 

將預先配置好的合金在（zài）霧化過程惰性氣體的保護下進行熔化,在霧（wù）化氣體（tǐ）中加入氧氣（qì）,使霧化液滴在冷（lěng）凝過程中氧（yǎng）化增氧,控製氣氛（fēn）中氧的含量獲得（dé）不同的氧含量的霧化氣體,並通過（guò）霧化參數（shù）的控製獲得要求的粉末粒度[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材（cái）料。固結的主要（yào）方法有熱等靜壓(HIP)、熱擠（jǐ）壓等。

 

(1)熱等靜（jìng）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將粉末熱固結成型的工藝。

 

熱等靜（jìng）壓工藝的關鍵在於溫度、壓力和時間的控（kòng）製,首先熱等靜壓的溫度不能過（guò）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（yīng）高於相對應溫度合金材料的屈服應力,使粉末顆粒能夠有效變形並發生冶金結合,消除材料空隙,提高合金致密度;保壓時間的選擇也（yě）很關鍵,時間太長已經致密化的合金（jīn）在（zài）高溫（wēn）高壓條件下組織發生變化,時間太短則不（bú）能有效致密化。

 

(2)熱擠壓（yā）(hotextrusion,HE)

 

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

 

 

圖3 熱擠製備ODS合金工藝過程[6]

 

熱擠壓過程中（zhōng）,大剪（jiǎn）切力可（kě）以有效消除原始（shǐ）顆粒邊界（jiè）,大幅度提高合金的致密度。大塑性（xìng）變形過程（chéng）中形成高密度位錯,增加了合金的儲能,有利（lì）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（xìng）能。擠壓比、擠壓速率（lǜ）和溫（wēn）度都是影響ODS合金顯微組織和力學性能的主要因（yīn）素,通常（cháng）,在較大的擠壓比、較低的擠壓溫度和較高的擠壓速率下（xià）熱固結成型,合金內（nèi）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,經過熱處理能夠形成沿擠壓方向的柱狀晶組織,可以有效提高合金（jīn）的高溫蠕變（biàn）性能[7, 8]。

 

熱（rè）擠壓相對（duì）熱等靜壓固結成型,能（néng）夠產生更（gèng）大的變形能力（lì）和密度更髙的致（zhì）密（mì）體,合金的（de）組（zǔ）織（zhī）和性能有較大的區別。

 

熱機械（xiè）處理

 

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

高溫合金行業概況

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

 

美國在高溫合金研（yán）發以及應（yīng）用（yòng）方麵一直處於世界領先地（dì）位，年產（chǎn）量約為5萬噸，其中近50%用於民用工業。美國有很多獨立的高溫合金公司（sī），能夠生產航空發動機所用（yòng）高（gāo）溫合金的公司有通用電氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有其他的生產特鋼和高溫合（hé）金的公司如（rú）漢（hàn）因（yīn）斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克貢公司，因科國際公司等。這些公司（sī）都先後發展了公司自己的（de）高溫合（hé）金牌號。

 

歐（ōu）盟國家中英、德、法（fǎ）是世界上主要的高溫合金生產和（hé）研發代表。英（yīng）國是世界上最早研究和開發（fā）高溫合金的國家之一。英國的鑄造合金技術世界領先，代表性的是國（guó）際鎳公司的Nimocast合金，後來該國的飛（fēi）機發動機製（zhì）造商羅爾斯羅伊斯控股公司又研製了定向凝固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研製的高溫合金（jīn）主要用在航空發動（dòng）機製造方麵。

 

日本在鎳基單晶（jīng）高（gāo）溫合金、鎳基超塑（sù）性高溫合金和氧化物晶粒彌散（sàn）強（qiáng）化高溫合金方麵取得較大的（de）成（chéng）功。近年來，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（rán）能保持足夠強度的（de）新合金。日本主要的高溫合金生產企業是IHIcorporation，JFE、新日鐵（tiě）和神戶製鋼公司。

 

經過（guò）50多年發（fā）展，我國已（yǐ）經形成了比較（jiào）先進（jìn），具有一定規模的生產基地。我們把（bǎ）國內從事高溫合金的廠家（jiā）分為四類：

 

1、特鋼生產廠：東北特殊鋼鐵接團撫順（shùn）特殊鋼公司（sī）（簡（jiǎn）稱撫順特鋼），寶（bǎo）鋼（gāng）股份公司特殊鋼事業部（簡稱寶鋼特（tè）鋼（gāng））和攀鋼集團長城特殊鋼公司（簡稱攀長鋼（gāng））；

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

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

4、鍛件熱加工廠：西南鋁業公司，第二（èr）重型機械集團萬航（háng）模鍛廠，中（zhōng）航重機股份（fèn）有限公司宏（hóng）遠（yuǎn）航空鍛鑄公（gōng）司和安大航空鍛造公司。

 

目前，國內規模較大的高溫合（hé）金生產企業有撫順特鋼（gāng）和鋼（gāng）研高納。此（cǐ）外，寶鋼（gāng）特鋼、攀長鋼、中科院金屬所、北京航材院也具備一定的（de）產能。

 

在航空航天產業中，用量最大的變型高溫（wēn）合金，主要由撫順特鋼、寶（bǎo）鋼特鋼、攀長鋼等公司完成。特鋼企（qǐ）業生產的變型（xíng）高溫合金，適用於大批量、通用性、結（jié）構較為簡單（dān）的產品。鋼研高納在上市後也擴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（xíng）高溫合金產能。

 

目前（qián）具備鑄造高溫合金（jīn）精鑄件的廠家分（fèn）為兩類（lèi），一（yī）類是鋼研高納、中科院金（jīn）屬（shǔ）所（suǒ）和北京航（háng）材（cái）院三家（jiā）公司；另一類是黎明、西航、南方、成發等專業發動（dòng）機廠自行生產（chǎn）精鑄件。三家單位主要承接航天航（háng）空發動機廠對外委托的精鑄件（jiàn）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（shàng）均有各自特點，其中鋼研高納產能大於其餘兩家。