習近平總書記在“十三五”規劃建議說明中提出，要在航空發動機等領域部署一批體現國家戰略意圖的重大科技項目，目前該進程有望加快推進。據預測，未來20年，我國航空發動機及燃氣輪機需求將超2萬億元，高溫合金等關鍵核心材料需求規模有望達千億級。

 

    航空發動機集中了工業制造和信息行業的高精尖技術，最能體現一國的工業基礎、科技水平和國防實力，被譽為現代工業“皇冠上的明珠”。當前全球僅有英、美、俄等少數國家可獨立研制航空發動機，我國處于高度依賴進口狀態。2015年政府工作報告首次寫入航空發動機項目，提出要實施航空發動機、燃氣輪機等重大項目，加大國防科研和高新技術武器裝備建設力度。國務院出臺的“中國制造2025”計劃，提出十大重點工程，其中排名第三即為航空航天裝備。計劃要求突破高推重比、先進渦槳（軸）發動機及大涵道比渦扇發動機技術，建立發動機自主發展工業體系。作為一個跨度十年的規劃，被列入重點突破工程的項目，將獲得后續系列政策扶持。

 

    航空發動機項目的快速推進和下游需求增長，為高溫合金材料帶來巨大需求。據券商研報介紹，高溫合金占發動機總重量的40%至60%，航空發動機推重比的提高，70%以上的貢獻來自材料技術。目前來看，全球范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、英、法、德、俄、日等國，整個行業具有較為明顯的寡頭特征。

 

    為提升高溫合金材料技術，我國出臺了系列扶持政策，2010年國家最高科學技術獎也授予了我國高溫合金之父師昌緒院士。另外，工信部發布的2015-2016年增材制造發展計劃，明確提出要求突破高溫合金等材料技術。

 

航空發動機
 

    公司方面，撫順特鋼高溫合金鋼規模優勢明顯，變形高溫合金系列產品，在航空航天領域市場上占到 80%以上的份額。高溫合金現有產能為5000噸，目標產能為2萬噸。同時，公司生產的高強鋼用于飛機起落架，是國內唯一生產廠商。鋼研高納主要從事高溫合金材料研制，年產能近2500噸，60%以上產品面向航空航天領域客戶，在粉末高溫合金、鑄造和變形高溫合金等細分領域，競爭實力較強。公司已具備航空、航天渦輪轉子等主要核心鑄件生產能力。另外公司表示，旗下高溫合金產品可滿足C919需求，目前C919已累計獲得訂單514架，隨著后期陸續交付，將有效提升高溫合金需求。

 

 

    高溫合金分為三類材料：760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強度800MPa。或者說是指在760--1500℃以上及一定應力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有優異的高溫強度，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件不可替代的關鍵材料。

 

    按照現有的理論，760℃高溫材料按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式有固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型和纖維強化型等。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業用燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發動機、核反應堆、石油化工設備以及煤的轉化等能源轉換裝置。

 

 

 

    變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。GH后第一位數字表示分類號即1、固溶強化型鐵基合金 2、時效硬化型鐵基合金 3、固溶強化型鎳基合金 4、鈷基合金 GH后，二，三，四位數字表示順序號。

 

    1、固溶強化型合金

 

    使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。

 

    2、時效強化型合金

 

    使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃，要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。

 

    變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。[1]

 

 

    鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：

 

    1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ‘含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優良性能。

 

    2.具有更廣闊的應用領域由于鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。

 

    根據鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

 

    第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用復雜結構件等。

 

    第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

 

    第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。

 

    隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。

 

 

    采用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝制造出高溫合金粉末的產品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。

 

    FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求，是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

 

 

    是采用獨特的機械合金化（MA）工藝，超細的（小于50nm）在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優良的高溫蠕變性能、優越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。

 

 

    MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位。可用于航空發動機燃燒室內襯。

 

    MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃并保持相當高的高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕。現已用于制作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片。

 

    MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發動機葉片。

 

 

    金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。

 

    Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強度、高鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點，可以使結構件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫（小于600℃）有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。

 

 

    在民用工業的很多領域，服役的構件材料都處于高溫的腐蝕環境中。為滿足市場需要，根據材料的使用環境，歸類出系列高溫合金。

 

    1、高溫合金母合金系列

 

    2、抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件

 

    3、高強度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件

 

    4、耐玻璃腐蝕系列產品

 

    5、環境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列

 

    6、特種精密鑄造零件（葉片、增壓渦輪、渦輪轉子、導向器、儀表接頭）

 

    7、玻棉生產用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌

 

    9、閥門座圈

 

    10、鑄造“U”形電阻帶

 

    11、離心鑄管系列

 

    12、納米材料系列產品

 

    13、輕比重高溫結構材料

 

    14、功能材料（膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列）

 

    15、生物醫學材料系列產品

 

    16、電子工程用靶材系列產品

 

    17、動力裝置噴嘴系列產品

 

    18、司太立合金耐磨片

 

    19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

 

 

    高溫合金發展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結晶葉片的綜合性能將得到改進。

 

    此外，有可能采用激冷態合金粉末制造多層擴散連接的空心葉片，從而適應提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護涂層材料和工藝也將獲得進一步發展。


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責任編輯：王元

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