一、高溫合金概述

高溫合金是指以Fe、Ni、Co為基，在600℃以上具有抗氧化和抗腐蝕性能，并在一定應力作用下可以長期工作的金屬材料。圖1為世界高溫合金的發展趨勢及其我國研制的合金，高溫合金既是航空發動機的燃料室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤等熱端部件、航天火箭發動機高溫部件的關鍵材料，又是工業燃氣輪機、能源、化工等工業部門所需的高溫耐蝕部件材料，是國民經濟中不可或缺的一類重要材料^[1]。

圖1高溫合金的發展歷程^[1]

目前，國際市場上每年消費的高溫合金材料近30余萬噸，圖2為主要的消費區域分布，我國高溫合金的市場規模年增速保持在20~30%，而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、日、德、法、俄羅斯等國家，例如，美國的GE、PW、Haynes Stellite、Inco Alloys International、Cannon-Muskegon、Westinghouse、Cabot、Martin Marietta、Standard Pressed Steel、Whittaker、Special Metal、Universal-Cyclops Steel、Howmet、Pratt & Whitney，俄羅斯的United Aircraft Company和加拿大的Mond Nickel Company等公司，具有明顯的寡頭特征。

圖2 全球高溫合金消費區域分布（2019年）

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，我國高溫合金的研究、生產和應用已經歷了六十多年的發展歷程。目前，在國家發展與改革委員會、工業與信息化部、中國有色金屬工業協會和國防科工局的統籌監管下，我國已經形成了一些生產裝備比較先進、具有一定規模的生產基地和企業，例如，鋼研高納、撫順特鋼、寶鋼特鋼、中國航發、萬航模鍛、萬澤股份、圖南股份等，也形成了一批具有自主創新研發能力的科研院所，比如，鋼鐵研究總院高溫材料研究所、北京航空材料研究院、中科院金屬所、北京航空航天大學、北京科技大學、西北工業大學等^[2]。

根據中國高溫合金手冊（2012年），我國高溫合金共列入牌號194個，其中，等軸鑄造鎳基合金62個，鎳基變形合金43個，鐵基變形合金30個，金屬間化合物基20個，ODS合金5個，粉末冶金高溫合金3個^[3]。我國高溫合金市場占比最大的是變形高溫合金，約為70%，其次是鑄造高溫合金，約為20%；按基體元素來說，占比最大的是鎳基高溫合金，約為整個市場的80%，其次是鎳-鐵基高溫合金，約為14%，鈷基高溫合金約為6%左右。

二、我國高溫合金的研究進展

我國高溫合金經歷了仿制、仿創結合到獨創的發展過程，通過吸取發達國家的經驗并結合我國的實際情況進行自主創新而形成了我國的高溫合金體系。美、英等國家是以公司或廠家自成合金系統，而我國是以國家為統一的系統，并按合金制備方式、基體元素、強化方式的順序構成高溫合金系列和體系。按制備方式有變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括等軸晶、定向凝固柱晶和單晶高溫合金）、粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料、焊接用高溫合金絲，以及高溫合金基自潤滑材料等；在這些不同合金系列下再分為鐵基、鎳基、鈷基及鉻基高溫合金；在相同的基體下，又分為固溶強化型和時效強化型^[2]。

目前，我國的高溫合金主要存在的問題和不足包括：冶金缺陷多，如黑斑、白斑、碳化物偏聚等；組織均勻性較差；雜質元素含量高，降低了強度和使用壽命；成本高，再利用率低。

2019年9月22~25日在湖北黃石召開了由北京科技大學、東北大學和大冶特鋼承辦的第十四屆全國高溫合金年會，集中展示了我國近年來在高溫合金研究方面取得的成果，包括變形高溫合金品種發展及其殘余應力控制、鑄造高溫合金的研究發展、粉末高溫合金及粉末純凈化技術、金屬間化合物基高溫結構材料的研究與應用進展等。

1、變形高溫合金

變形高溫合金是指通過鑄造-變形工藝生產的高溫合金，工作范圍為-253~1320℃，包括盤、板、棒、絲、帶、管等產品，例如GH128、GH4169等，廣泛應用于航天、航空、能源、石化、核電等工業領域。近年來，變形高溫合金分別在工藝流程、開發新合金和新技術等方面都取得了大量的突破和應用成果。

• 工藝流程

國內變形高溫合金冶煉通常采用真空感應+真空自耗兩聯或真空感應+電渣重熔+真空自耗三聯的熔煉方式。通過對真空感應爐內流槽的水模擬和數值模擬，并對結構進行優化設計，可以改善流槽內流場分布和溫度分布，從而提高鑄錠的質量和潔凈度，如圖3所示。

圖3 真空感應熔煉流槽優化前后對比^[4]

高溫合金鑄錠在凝固過程中會產生較嚴重的成分偏析，為減輕和改善成分偏析，提高材質的均勻性，除改進冶煉工藝外，最重要的技術措施是進行均勻化處理，通過高溫下的長時間加熱，促進溶質元素原子的擴散遷移，達到枝晶干與枝晶間元素濃度差異的最小化。隨著鑄錠尺寸的擴大，偏析情況會受到凝固冷速的影響而相應加劇，可以通過對比不同的均勻化制度下的二次枝晶間距和偏析系數，從而確定最終的均勻化溫度和時間。

為了提高GH4720Li合金鑄錠的開坯成材率以及棒材的質量水平，通過大量熱模擬壓縮試驗，獲得并建立不同熱變形條件下的數學模擬和開裂判據，從而優化鍛造工藝參數，包括逐級降溫及火次變形量合理分配。相關研究表明，快鍛開坯充分破碎鑄錠鑄態組織后，再輔之以徑鍛，可以改善棒材表面狀態，提高成材率。

GH4706合金超大型渦輪盤是當代E/F級重型燃機的核心熱端轉動部件，鍛件直徑超過2000mm，重量達6t，是亟待國產化的最關鍵部件之一。該合金的成分接近于GH4169，是一種γ’相與γ”相強化的Fe-Ni基變形高溫合金。渦輪盤的模鍛既要實現盤件的熱加工成型又要實現組織性能控制，二者相互影響、相互制約^[4]。2013年，我國自主設計研制的世界最大的8*10⁴t模鍛液壓機（圖4）投入生產并試制成功了直徑為1500mm的GH4738合金渦輪盤鍛件，這為超大型GH4706合金渦輪盤的制備提供了一定的參考經驗，但仍面臨嚴峻的挑戰。

圖4 “國之重器”8萬噸大型模鍛壓機

在張北江等人的研究基礎上^[5]，構建了GH4706合金的本構關系與顯微組織演化規律模型，應用數值模擬技術進行熱加工工藝優化，最終實現了超大型GH4706合金渦輪盤鍛件的國產化，如圖5所示，性能達到了美國GE-B50A651標準的要求。

圖5 直徑為2100mm的超大型GH4706合金渦輪盤鍛件^[4]

殘余應力源自材料制備過程中內部不均勻的塑性變形，本質上是殘留在材料內部的晶格畸變。在再結晶溫度附近進行的熱變形，是難以形成高水平殘余應力的；即便在低溫鍛造或鍛后冷卻中形成的殘余應力通常也可以在后續的高溫固溶處理中得以釋放。因此，高溫合金盤鍛件一般在鍛造成型后需要在固溶處理后快速冷卻，以確保γ’或γ”相不發生粗化。圖6為不同的殘余應力測試技術對應的測試深度和分辨率。對于高溫合金盤鍛件，需要測試分析距表層10mm甚至更深的內部殘余應力，分辨率要求為mm級，因此主要方法包括中子衍射法（neutron diffraction）、輪廓法（contour method）、深孔法（deep-hole drilling）和超聲法（ultrasonic）。

圖6 各種殘余應力測試方法的測試深度和空間分辨率^[6]

鋼鐵研究總院的畢中南等人總結了高溫合金渦輪盤鍛件內部殘余應力的測試方法，闡明了固溶、淬火、時效、零件加工等制備工藝過程中殘余應力的演化規律與機制^[6]。

超聲檢測作為無損檢測的一種重要方法，利用探頭發出的超聲波進入工件內部傳播，當內部存在聲學特性與基體不同的不連續或不均勻組織時，在界面處就會發生傳播方式和信息的變化，從而為無損檢測和評價提供定性和定量分析的依據。范興義、林時錢等人對盤鍛件組織的晶粒尺寸與超聲雜波之間的關系進行了充分研究，以確定影響檢測結構的主要原因和適宜的檢測參數。

• 新合金

王慶增、陳國勝、孫文儒等人在對P強化和P、B復合強化機理研究的基礎上，發展了GH4169G合金，該合金在保持GH4169合金優異的綜合性能的同時，將使用溫度提高了30℃，達到680℃；并使650℃下的使用壽命提高了3倍以上；同時焊接和熱加工性能與GH4169合金相當，具有廣闊的應用前景。

GH4169D合金是在GH4169合金的基礎上，通過降低Fe含量，加入固溶強化元素W和Co，調整Al、Ti含量及其比例，并適當提高Nb含量和調整微量元素含量而研制成功的，成功填補了世界上2個最廣泛應用高溫合金---650℃用GH4169和750℃用GH4738合金之間長期存在的空白。

在依托鑄鍛工藝發展高性能渦輪盤材料方面也取得了重要進展，相繼研制了GH4065、GH4079和GH4975等高性能變形高溫合金渦輪盤材料，特別是GH4065合金的綜合性能達到了粉末冶金材料的水平，有望為我國先進航空發動機熱端轉動部件的選材提供成熟可靠的解決方案。

GH4282合金在保持一定數量的沉淀強化γ’相的基礎上，通過控制γ’相的結構、組成和析出動力學，解決了高強度時效強化燃燒室合金中由于γ’相的大量析出導致的冷加工和焊接困難的問題，該合金在650~950℃范圍內保持了極佳的高溫強度和熱穩定性，同時對焊接和冷加工性能進行了很好的平衡和優化。

• 新技術

我國開發了氮化物強化高溫合金NGH5011，并針對內生彌散氮化物強化合金的氮化工藝流程中涉及的N在表面的吸附溶解、在基體的均勻擴散、反應界面的氮化物析出等關鍵物理化學過程開展了系統研究工作。

鋼鐵研究總院高溫材料研究所利用增材制造技術，成功制備出3D-In718合金的燃氣渦輪盤和整體葉輪，零件致密度達到99.9%，組織性能均遠優于鑄件，室溫、高溫拉伸強度、塑性和持久性能均可滿足鍛件標準。

此外，采用電渣重熔連續定向凝固冶煉+3D鍛造制坯+等溫鍛造的新型鑄鍛工藝技術成功制備了變形FGH4096合金渦輪盤。

2、鑄造高溫合金

鑄造高溫合金具有較寬的成分范圍，根據使用溫度又分為三類：在-253~650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金，如K4169；在650~950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金，如K419；以及在950~1100℃使用的定向凝固柱晶鑄造高溫合金，如DD402。航空發動機機匣是典型的中低溫條件下使用的等軸晶高溫合金鑄件，結構復雜化、尺寸精確化和薄壁輕量化是發展趨勢，從而精密成形和凝固組織的協同控制是急需解決的重大技術難題。

等軸晶鎳基高溫合金主要以γ相為基體，通過添加Al、Ti、Nb和Ta等元素形成體積分數可達70%的γ’相或γ”相進行強化，并以C、B和Zr作為晶界強化元素在晶界偏聚或形成碳化物或硼化物來提高合金的綜合性能。等軸晶鑄造高溫合金的發展方向主要為：根據合金化理論和冶金原理，結合計算機模擬技術設計具有良好綜合性能的新型材料；針對不同合金的用途，通過對現有合金成分的調整來獲得優異特定性能；改進和提高合金的冶煉工藝，提高合金的冶金質量；通過新型工藝技術改善鑄件的質量和力學性能。

采用傳統的“經驗試錯”方法，成本高、周期長、難度大，基于計算材料學、大數據處理、機器學習、高通量試驗等手段開展合金成分設計將會成為一大趨勢。基于電子空位理論、結合次數和合金元素的d軌道能發展和完善的相計算可以模擬和預測合金中TCP相的析出規律，而如何建立合金成分與高性能之間的量化關系是目前單晶合金設計的關鍵。傅恒志、介子奇等人研究了K4169高溫合金的熔體凝固特性，獲得了熔體過熱溫度對形核過冷度的影響規律，如圖7所示，并進一步驗證了熔體超溫處理可明顯細化晶粒尺寸、改善析出相的形貌和分布，有效減輕合金元素偏析，從而改善鑄態高溫合金的綜合力學性能^[7]。

圖7 熔體過熱溫度對K4169高溫合金形核過冷度的影響^[7]

利用JMatPro、Thermal-calc和Panda軟件可以較準確地計算出不同成分的鎳基高溫合金的初熔溫度、合金密度，以及不同平衡態下的相組成及含量，并預測出熱處理窗口和糊狀區間等，在此基礎上，制定合適的熱力學判據，篩選出滿足要求的合金成分進行試驗測試，可以節省合金的開發時間和成本。

通過鑄件成型模擬技術，可以模擬充型過程中的溫度場分布，從而合理設計冒口和澆注系統，優化澆注工藝參數，并預測縮孔、冷隔、欠鑄和縮松等缺陷及其冷卻后的殘余應力，為實際生產提供理論指導。目前，鑄件成形模擬技術的發展已經較為成熟，典型的商用模擬軟件有：ProCAST、MAGMA、AFSolid和PAM-CAST等。柳百成等人提出了利用計算機技術改造鑄造行業，在鑄造過程宏、微觀模擬仿真領域開展了大量研究，并開發了一系列工程應用的數值模擬軟件^[8]。

常見的組織模擬方法有：第一性原理、分子動力學法、Monte Carlo、元胞自動機法、相場法、有限元等。例如，將蠕變損傷的晶體模型耦合到相場模型中，可實現蠕變3個階段的組織演化和性能的同步模擬，得到蠕變組織演化過程及蠕變曲線，如圖8所示，這為高溫合金蠕變模擬提供了新的途徑，有利于以性能為導向的微觀組織優化模擬工作的開展。

圖8 相場模擬得到的950℃、300MPa蠕變條件下γ’相的演化過程^[7]

單晶高溫合金消除了晶界，具有優異的高溫蠕變、抗氧化和抗腐蝕性能，其研發起始于20世紀70年代的美國Pratt & Whitney公司，自20世紀80年代PWA1480單晶高溫合金成功研制和應用以來，國外單晶合金迅猛發展，在2000年左右研制了第四代單晶合金。從第一代發展到第四代單晶高溫合金，工作溫度已經提高到1827℃，遠高于初熔溫度（1280~1330℃），同時Re、Ru等貴金屬元素的含量不斷增加，成本也越來越高。

我國單晶合金的研制起步較晚，且多以仿制為主。近年來，我國單晶高溫合金研制與應用取得了顯著進展，并自主研制了第三代單晶合金DD33、DD9以及第四代單晶合金DD91、DD15等，已經具備了單晶高溫合金新材料、新工藝自主研發能力，特別是在軍民融合相關政策的引導和推動下，出現了一批高溫合金相關的民營企業，其中大多數聚焦于單晶高溫合金母合金和單晶葉片的生產。

目前，單晶高溫合金的成分設計方面的研究主要集中在英、德和日本等國家的大學和科研院所，且設計空間越來越小，提高綜合性能的難度越來越大，國外根據實際用途開始研發各種“定制”合金。例如，GE公司為了降低第二代單晶合金中Re含量，發展了性能接近Rene? N5的Rene? N515合金(1.5%Re)，并逐漸替代Rene? N5應用于航空發動機渦輪葉片。

晶粒細化可大幅度提高鑄件低周疲勞性能，減少力學性能的分散度，改善機械加工性能。其主要機制是促進形核和抑制晶粒長大，常用的方法有熱控法（FGP、Grainix法）、動力學法（鑄型攪動、電磁振動和脈沖電流等）、化學法（細化劑）等。北京航空材料研究院、北京航空航天大學等對單晶高溫合金的低周疲勞、高周疲勞、蠕變性能等方面都做了大量的分析研究^[9,10]。此外，在一些新型工藝如反重力鑄造技術、增材制造等方面也取得了一定的進展。

3、粉末高溫合金

圖9為國內外先后研制出的四代粉末高溫合金，我國目前已研制出以FGH4095合金為代表的第一代高強型粉末高溫合金和第二代損傷容限型FGH4096合金，近年來正在研制高強損傷容限第三代粉末高溫合金，并對第四代粉末高溫合金進行了初步探索研究^[11]。

圖9 國內外粉末高溫合金的發展^[11]

高品質高溫合金粉末，是先進航空發動機粉末渦輪盤研制和生產的基礎和保障。目前高溫合金粉末制備主要有Ar氣霧法制粉（AA粉）和等離子旋轉電極法制粉（PREP粉）2種方法。北京航空材料研究院的張國慶課題組等人開展了一系列Ar氣霧化高溫合金粉末的制備裝置和技術，用以制備粉末高溫合金渦輪盤件等熱端部件，同時也為3D打印增材制造提供原材料。他們分別在合金霧化過程、制粉過程粒度控制（圖10）、O含量控制、非金屬夾雜控制等方面取得了一定的成果和經驗。

圖10 不同粒徑粉末顆粒軌跡圖^[11]

4、金屬間化合物基高溫合金

金屬間化合物是由2種或2種以上金屬元素或金屬元素與類金屬元素按照一定原子比組成的化合物。共價鍵和金屬鍵的共存使得金屬間化合物在較長范圍內存在長程有序的超晶格結構。在高溫下，金屬間化合物的位錯遷移率相對降低，從而具有較高的高溫強度。比較典型的有Ti-Al、Ni-Al、Nb-Si，它們有著優異的高溫強度和較低的密度，但也存在室溫斷裂韌性低、高溫抗氧化性差等問題，使其在應用上受到限制，也成為該領域研究的難點和重點。

近年來，我國在金屬間化合物基高溫合金材料的基礎研究與工程應用方面取得了重要的進展，以TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlNb、Ni₃Al基合金為代表，在性能和工藝方面進步顯著，并研發出一些具有自主知識產權的新型高溫結構材料，為我國高性能航空發動機的研制做出了重要的貢獻。Nb-Si基合金在凝固工藝和抗氧化涂層的基礎研究方面也取得了顯著的進展，并逐漸向實用化接近。例如，在Ti-Al系金屬間化合物高溫合金方面取得的重要進展有：新一代高鈮含量TiAl合金成分設計與組織、性能關系研究發現新的規律和機制；二代TiAl合金工程應用取得突破；Ti₃Al和Ti₂AlNb合金工藝進步顯著，應用范圍不斷擴大^[12]。

三、高溫合金專家簡介

師昌緒——中國高溫合金材料的開拓者

師昌緒（1920-2014），1957年負責主持我國高溫合金方面的工作，并研制出我國第一個鐵基高溫合金GH135，領導研制出我國第一代空心氣冷鑄造鎳基高溫合金M17渦輪葉片，獲得國家級獎勵10余項。1980年當選中國科學院院士，1994年當選中國工程院院士，1995年當選第三世界科學院院士，2010年榮獲國家最高科學技術獎，2015年被評為感動中國2014年度人物。他參與創辦或主編了Journal of Materials Science and Technology、能源材料、中國科學基金、自然科學進展、金屬學報等期刊。

胡壯麒

胡壯麒（1929-2016），長期從事高溫合金的研制及亞穩態新材料和新工藝的研究，為我國科技和國防事業做出了重要貢獻。他先后在發動機一級渦輪葉片K17G鑄造鎳基合金、抗熱腐蝕DZ38G定向凝固鎳基高溫合金、單晶鎳基高溫合金非平衡凝固行為等方面都有重大科研成果，并發展了一系列性能優異的新材料，包括高溫合金、定向結晶和單晶合金、金屬間化合物和亞穩態材料。1985年獲得國家科技進步獎一等獎，1986年獲得國家科技進步獎二等獎，1995年當選為中國工程院院士，2003年獲何梁何利基金科學與技術進步獎，2004年被中國金屬學會高溫合金學術委員會授予杰出貢獻獎。

仲增墉

鐘增墉，1961年開始從事高溫合金研究和制造工作，負責研制成功了一系列難變形高溫合金關鍵新材料，其中渦噴六發動機渦輪葉片用GH37鎳基高溫合金，使60年代初國家急需軍工材料立足于國內，獲得國防工辦和冶金部的嘉獎；渦噴十三發動機用高熱強（950℃）難變形鎳基高溫合金GH220獲冶金部科技進步一等獎；成功研制了GH118（950℃）、GH38A、GH43、GH49、GH33和GH527等航空航天用高溫合金；并首創了電渣熔煉高溫合金工藝，達到了當時的國際水平；在國際上首先提出了高溫合金的鎂微合金化及其理論，改善了高溫合金材料的性能；高溫合金中彎曲晶界的形成及其作用研究、高熱強合金中TCP相析出、影響及控制的研究等都達到了較高水平。

傅恒志

傅恒志（1929~），材料及冶金學專家。1988年，他創建了中國國內唯一的凝固技術國家重點實驗室。1993年，成為中國首批入選由世界著名科學家、教育家組成的國際高校科學院院士。1995年，當選為中國工程院院士，并同年當選俄羅斯宇航科學院外籍院士。2013年，獲得第三屆中國機械工程學會“中國鑄造終身成就獎”。先后獲得國家科技進步二等獎1項，國家發明獎3項，國家優秀教學成果二等獎1項，省部級獎12項，發表論文1100余篇，出版專著7本。

黃伯云

黃伯云，1999年當選為中國工程院院士，2007年當選為發展中國家科學院院士，“十五”國家863計劃新材料領域專家委員會主任，兼任中國材料研究學會理事長。他領導創建了粉末冶金國家重點實驗室、粉末冶金國家工程中心、輕質高強國防科技重點實驗室以及有色金屬先進結構材料與制造協同創新中心等一系列創新平臺，并獲得留學回國人員成就獎、何梁何利科學與技術進步獎、全國國防科技工業系統先進工作者、中青年有突出貢獻專家、全國杰出專業技術人才、“CCTV2005年感動中國”十大人物、全國勞動模范、全國優秀共產黨員等榮譽稱號。

柳百成

柳百成（1933.2~ ），鑄造及材料工程專家。他長期從事用信息技術提升鑄造行業技術水平及提高鑄造合金性能的研究，致力于振興中國制造業及推廣先進制造技術等戰略研究。曾主持及參加多項國家重大科技項目、973項目，先后獲部委級科技進步一等獎、二等獎等十余項獎勵，國外獎勵2項及發明專利2項。1999年當選為中國工程院院士，2002年獲光華工程科技獎，2011年、2015年先后獲得中國機械工程學會中國鑄造杰出貢獻獎及中國鑄造終身成就獎，2017年被評為海歸中國夢年度人物獎。

干勇

干勇，1947年8月出生，冶金材料專家。1994年至今任連鑄技術國家工程研究中心主任，2001年4月至今任鋼鐵研究總院院長，同年當選為中國工程院院士。他長期從事冶金、新材料及現代鋼鐵流程技術研究，是我國材料、冶金、現代鋼鐵流程的學術帶頭人之一。先后獲國家科技進步二等獎2項及省部級科技進步一等獎5項，獲準專利24項，其中發明專利15項，發表論文140余篇，出版著作3部。

宮聲凱

宮聲凱（1956.7~），北京航空航天大學教授，兼任中國腐蝕學會副理事長、中國金屬學會高溫材料分會副理事長。他長期從事新型金屬間化合物基合金、單晶葉片及熱障涂層研究。發明了新型高承溫、低密度低錸Ni3Al基單晶合金和超高溫熱障涂層；研制出的超氣冷單晶葉片，支撐了我國新型發動機研制，相關成果獲得包括國家技術發明一等獎在內的省部級以上科技獎勵8項，授權發明專利80余項，發表SCI論文近300篇。

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