在世界先進發（fā）動機研製中，高溫合金材料用量已（yǐ）占到發動機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發動機基（jī）石（shí）”。這段時間，小（xiǎo）編將帶大家深度了解先進高溫合金的製（zhì）備工藝，分析（xī）測試以及（jí）應用。

高（gāo）溫合金簡介

高溫合金，顧名思義就是能在較高溫度（900℃以上）環境（jìng）內使用（yòng），並在一定應力條件下長時間（jiān）服役的合金。高溫合金分為三類材料:760℃高溫材（cái）料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強度800MPa。或者說是指在760--1500℃以上及一定應（yīng）力條（tiáo）件下長期工（gōng）作的高溫金屬材料，具有優異的高溫（wēn）強度，良好（hǎo）的抗氧化（huà）和抗熱腐蝕性（xìng）能，良（liáng）好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍（jun1）民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料（liào）[1]。

 

 

圖1 高溫合金製成的航空發（fā）動機（jī）單晶葉片

 

廣（guǎng）義上的（de）高溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化（huà）或腐蝕，並能在一定應力作用下（xià）長期工作的一類合金（jīn），包括鑄造高溫合金、金屬間化合（hé）物等高溫金屬（shǔ）材料（liào）。狹義上的高溫（wēn）合（hé）金是以鐵、鎳、鈷為基，能在大約600℃以上的高（gāo）溫（wēn）下抗氧化或腐蝕，並能在一定應力作用（yòng）下長期工作的一類合金。高溫合（hé）金自誕生以來從原來的鐵、鎳、鈷為基，不斷發展和（hé）演變，以（yǐ）及引入新的加工工藝，從傳統的鑄造高溫（wēn）合（hé）金和變形高溫合金，發展出粉末高溫合金、氧化物彌散強化（ODS）合金、金屬間化合（hé）物等新型高溫合金，從而大大擴展了高溫合金的內涵。

 

高溫合金大（dà）致可以分為以下幾類：

製造方（fāng）式

分類

特點

軍（jun1）工應用

鑄造高溫（wēn）合金

等（děng）軸多（duō）晶

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

鍋（guō）輪葉片（piàn），航天發動機精鑄件

定向凝固柱晶（jīng）

1000度以上使用，性能較等軸多（duō）晶更優（yōu）

航空發動機（jī）葉片，導向葉片等

單晶

1200度以上，具有極強的高溫合（hé）金性質

下一代航空發動機鍋輪葉片，它的性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（yú）50%，抗氧（yǎng）化性弱

中國50年代使用的渦輪盤，燃燒室零件

鎳基（jī）變形（xíng）高溫合金

650-1000度以上使用，鎳含量高於50%，熱性能良好

應用廣泛，主要用於航天（tiān）發動機板材、棒材、盤鍛件及燃燒室等。

鈷（gǔ）基變形高溫合金

730-1000度使用，鎳基合金的升級版

鈷金屬非常（cháng）稀少，屬戰略資源，應用很少

新型高溫合金

粉末冶金高溫合金

使（shǐ）用溫度可達1000度，組織均勻，熱加工性能良好，熱疲勞性（xìng）良好

航（háng）天發動機渦輪盤（pán）、渦輪擋板、鼓筒（tǒng）軸

ODS高溫合金

使用溫度高（gāo），屈服強度高，高溫（wēn）蠕變性能好

航（háng）天發（fā）動機我輪（lún）盤，封嚴盤、渦輪擋板

金屬間（jiān）化合物高溫合金

高溫抗氧化性好、剛度大、密（mì）度低、彈性模量好

航天結構器件和發動機（jī）器件（jiàn）

 

高溫合金在材料工（gōng）業中主要是為航空航天產業（yè）服務。伴隨著航空航天產業的發展，我國已經建立起自己的高溫合金體係，從而形成了一定的（de）產業規模（mó）。高溫合金由（yóu）於（yú）其（qí）優良的耐高溫、耐腐（fǔ）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（zǐ）能等工業領域，從而大大擴展了（le）對高溫（wēn）合金的需求。

高溫合金製備工藝

 

圖2 高溫合金的幾種成型方法的（de）工藝路線

 

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

 

高溫合金材料成分十（shí）分複雜，含（hán）有鉻、鋁等活潑元素，在氧（yǎng）化或熱腐蝕環（huán）境中表現為化學（xué）不穩定，同時機加（jiā）工製成的零件表麵留下加（jiā）工硬化和殘餘（yú）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（lì）的影響。由於合金化程度高，高溫（wēn）合金材料極易產生成分偏析（xī），這種偏析對鑄造高溫（wēn）合金和變（biàn）形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的（de）這（zhè）些特點決定了（le）它區別於普（pǔ）通金屬材料的加工工藝[1, 2]。

 

高溫合金的（de）發展是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（jīn）強化+工藝強化來結合不（bú）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（huà）包（bāo）括改善冶煉、凝固結晶（jīng）、熱加工、熱處理及表麵處理等環節（jiē）改善（shàn）合（hé）金組（zǔ）織結構等。

 

高（gāo）溫合金的（de）生產工藝主要包含（hán）熔煉、鑄造（zào）、熱處理（lǐ）三個過程。生產工藝對高溫合金材料力學（xué）性能的影響重（chóng）大，一（yī）項新工藝的引入，往（wǎng）往使（shǐ）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（tuī）動一代航空發動機和航空飛（fēi）機的發（fā）展。老型（xíng）號的合金也可以（yǐ）改善工藝達到材料性能的提高。

 

高溫合金材料製（zhì）備技術與工藝仍處於不斷的進（jìn）步和創新中。比（bǐ）如，冶煉工藝采用（yòng）了真空（kōng）感應+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯工藝，真空自耗熔煉采用了先進（jìn）熔煉控製方法等；通（tōng）過定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術（shù）提高材料的高溫強度；采用粉末冶金方（fāng）法減少合金（jīn）元素的（de）偏析和提高材（cái）料強度等。此外，氧化物彌散強（qiáng）化高溫合金、金屬間化合物（wù）高溫材料也在不斷發展和創新（xīn）中。

 

粉末冶金氧化（huà）物彌散強化（ODS）高（gāo）溫合（hé）金製備工藝

 

粉末冶金高（gāo）溫合金是20世紀60年代發展起來的一種先進髙（gāo）溫合金製備工藝,由於用極細的（de）金屬粉末作為原（yuán）材料,經過熱固結成型及後續熱加工處理（lǐ）得到的合金組（zǔ）織均勻,晶粒細小,無宏觀偏析現象,而且合金的高溫強度、蠕變性能（néng）及疲勞性能優異,因此（cǐ）很快成（chéng）為（wéi）航空（kōng）發動（dòng）機、核工業的耐熱部件的首選材料[3]。

 

氧化物彌散強化(ODS)高溫合金是一類粉末高溫合金,其突出特點是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強度。對（duì）於傳（chuán）統高溫合金及粉（fěn）末高溫合金來說,Y'析出（chū）相及碳(氮)化（huà）物強化是（shì）其主要的強化手（shǒu）段。但在高溫下,Y'析出相（xiàng）及碳(氮)化物發生粗化和溶解於基體而失去強化（huà）作用。

 

氧化物彌散強化（huà）(ODS)高溫合金,是將（jiāng）細（xì）小（xiǎo）的氧化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分散（sàn）於高溫合金基體中,通過阻礙位錯的運動（dòng）而產生強化效果的一（yī）類合金。

 

在已經發展的高（gāo）溫（wēn）合金中，多采用沉澱強化來提高材料的強度（dù），當材料的（de）服役溫度達到一個臨界值時，沉澱相就不可避免（miǎn）的發生聚集、長大及溶解從而大大降低材料的高溫強（qiáng）度。於是，人們通過粉末冶金（jīn）的途徑在合金基體中均勻加入在高溫（wēn）狀態下具有高穩（wěn）定性的細小氧化物來提髙材（cái）料的高溫強度。但是，通（tōng）過傳統的冶煉及冶金技術不可（kě）能將（jiāng）這種般細小氧化物（wù）（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（jīn）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（jiě）決了ODS合金氧化物均勻分布的問題，使合金得到快速發展，其中某（mǒu）些合金己經達到工業化生產水平。

 

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

 

粉末的製備

 

高溫合金粉（fěn）末（mò）的製備有三種製粉工藝: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（zhì）粉方法有著本質的差異,其關鍵是（shì）將超細的氧化物質點均勻分散於合金粉末中。常用的（de）是以下四種方法：

 

(l)機械合金（jīn）化(MA)法

 

機械合金化是用高能研磨機或球磨機實現固（gù）態合金化（huà）的過程,由美國INCO公司於上世紀六（liù）十年（nián）代（dài）末研（yán）發,是異類物質（zhì）實現微混合的最有效方法。現在,ODS高溫合（hé）金大多數是采用MA技（jì）術將超細的氧化物顆粒均勻地分散到合金基體中。含（hán）有彌散氧化物（wù）顆（kē）粒的機械合金化粉末經固結處理後,便可得到密實的（de）合金材料,機械合金化是製備ODS高溫合（hé）金的關鍵（jiàn）技術之一。

 

(2)內氧化法

 

內氧化法是（shì）利用合金中含量少、並且對氧有很強親和力的合金元（yuán）素與氧反應,生（shēng）成氧化物（wù）質點作為彌散相。

 

(3)化學共沉澱法（fǎ）

 

化學共沉澱法的原理是在所配製的溶液中加入合適的沉（chén）澱劑,並把pH控製值在適當範圍內,以製備出（chū）超細顆粒的前驅體沉澱物,再經陳化、過（guò）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（jīn）霧化粉末

 

將預先配置好的合金在霧化（huà）過程惰性氣體的保護下進行熔化,在（zài）霧化氣體中加入氧氣,使霧化液滴在冷（lěng）凝過程中氧化增氧（yǎng）,控（kòng）製（zhì）氣氛中氧的含量獲得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

 

鬆散的高（gāo）溫合金粉末隻有通過固結工藝,才能得到完全致密（mì）化的材料。固（gù）結的主（zhǔ）要方法有熱等（děng）靜壓(HIP)、熱擠壓等。

 

(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將粉末熱固結成型的工（gōng）藝。

 

熱等靜（jìng）壓（yā）工藝的關鍵在（zài）於溫度、壓力和時間的控製（zhì）,首先熱等靜壓的（de）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（yú）相對應（yīng）溫度合金材料的屈服（fú）應（yīng）力,使（shǐ）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（mì）度;保壓時間（jiān）的（de）選擇也很關鍵,時間太長已經致密化的合金（jīn）在高溫（wēn）高壓條件下組（zǔ）織發生變化,時間太短則（zé）不能（néng）有效致密（mì）化。

 

(2)熱擠（jǐ）壓(hotextrusion,HE)

 

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

 

 

圖3 熱擠製備ODS合金工藝過程[6]

 

熱擠壓過程中,大剪切力可以有效（xiào）消除原始顆（kē）粒（lì）邊界,大幅度提高合金的（de）致密度。大塑性變形過（guò）程中形成高密（mì）度位錯,增加了（le）合（hé）金的儲能,有利於後續熱處理過程中形成（chéng）較粗大的晶粒,提高合金的高溫性能。擠壓比、擠壓速率和溫度都是影（yǐng）響ODS合金顯微組織和（hé）力學性能的主要因素,通常,在較大（dà）的擠壓比、較低的擠壓溫度（dù）和較（jiào）高的擠壓速（sù）率下熱固結成型,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（sàn）及Y-Ti-0相的形成,同時,經過熱處理能夠形成沿擠壓方（fāng）向的（de）柱（zhù）狀晶組織（zhī）,可（kě）以有效提高合金的高溫蠕（rú）變性能[7, 8]。

 

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

 

熱（rè）機械處理

 

通過（guò）熱機械處理,可以進一步減少粉末（mò）冶金合金的孔（kǒng）隙率,提高致密度,同時可以是（shì）合金微觀組織結構更（gèng）均勻,也可以進一步使原（yuán）始粉末顆粒邊（biān）界形成冶金結合。

高溫合金（jīn）行業概（gài）況

全球範圍內能夠生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。發達國家一般將涉及航空航（háng）天應（yīng）用領域的高溫（wēn）合金（jīn）產品作為戰略軍事物資，很（hěn）少出口。

 

美國在高溫合金研發以及應用方麵一直處於世界領先地位，年產量（liàng）約（yuē）為5萬噸，其中近50%用於（yú）民用（yòng）工業（yè）。美國有很多獨立的（de）高溫合（hé）金公司（sī），能夠生產航空發動機所用高溫合金的公司有（yǒu）通用電氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有其他的生（shēng）產特鋼和高溫合金的（de）公司如漢因斯-斯泰特公司，佳（jiā）能—穆斯克貢（gòng）公司，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。

 

歐盟國家中英、德（dé）、法是世界上主要（yào）的高溫合金生產和研發代表。英國是世界上最早研（yán）究和開發高溫合金的國家之一。英國的鑄造合金（jīn）技術（shù）世界領先，代表性的是國際鎳公（gōng）司的Nimocast合金，後來該國的飛（fēi）機發動機製造商羅爾斯羅伊斯控股公（gōng）司又研（yán）製了定向凝（níng）固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研製的高溫（wēn）合金主要用（yòng）在航空（kōng）發動機製造方（fāng）麵（miàn）。

 

日本在鎳基單晶高溫合金、鎳基（jī）超塑性高溫合金和氧化物晶粒彌散強化高溫合金方麵取得較大的成功。近年來，致（zhì）力於開（kāi）發（fā）新型的耐（nài）高溫合金（jīn），並成功開發出在1200℃高溫下依然能保持足夠強度的（de）新（xīn）合金。日本主要的高溫合金生產企業是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶製鋼公司。

 

經過50多年發展（zhǎn），我國已經形成了比較先進，具有（yǒu）一定規（guī）模的生（shēng）產（chǎn）基地。我們把國內從事高溫合金的廠家（jiā）分為四類（lèi）：

 

1、特鋼生產廠：東（dōng）北特殊鋼鐵接團撫順特殊（shū）鋼公司（sī）（簡稱（chēng）撫（fǔ）順特鋼），寶鋼股（gǔ）份公司特殊鋼事業部（簡稱寶鋼特鋼）和（hé）攀鋼集團長城特殊鋼公司（簡稱攀長鋼）；

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

3、發動機公司精密鑄件廠：中航工（gōng）業旗下各航空發動機公（gōng）司的精密（mì）鑄造廠：黎明、西航、黎陽、南方、貴航等（děng）。

4、鍛件熱加工廠：西南鋁業公司，第二（èr）重型機械集團萬（wàn）航模鍛廠，中航重機股份有限（xiàn）公司宏遠航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公（gōng）司。

 

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

 

在航（háng）空航天產業中，用量最大的變型高（gāo）溫（wēn）合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼（gāng）、攀長鋼等公司完成。特鋼企業生產（chǎn）的變型高溫合金，適用於大批量（liàng）、通用性、結構較為簡單的產品。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（dāng）的變型高溫合（hé）金產能。

 

目前具備鑄造（zào）高溫合金精鑄件的廠家分為（wéi）兩類，一類是鋼研（yán）高納、中科（kē）院金（jīn）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（fā）動機廠自行生產精鑄（zhù）件（jiàn）。三家單位主要承接航天航空發動機廠對外委托的精鑄件（jiàn）業務。目前三家單位在（zài）鑄造高溫合金的材料（liào）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（jiā）。