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高溫合金材料及標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展規(guī)劃

2022-05-06 15:29:46 作者：材易通來源：材易通分享至：

高溫合金的分類

1 按成型工藝分：

（1）變形高溫合金

這是根據(jù)所需零部件的要求，通過冷、熱變形等工藝加工成的一類傳統(tǒng)的高溫合金材料，也是目前我國(guó)生產(chǎn)和研制新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要材料之一，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，變形高溫合金的使用量開始減少，但是在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍會(huì)占據(jù)主要地位。近年來，我國(guó)科技人員解決了高溫合金熱變形加工中存在的關(guān)鍵性問題，在許多高難度變形高溫合金構(gòu)件的制造研發(fā)中取得了重大成果，其中有我國(guó)自主研發(fā)的GH4169變形高溫合金。

（2）鑄造高溫合金

這是一類通過鑄造的方法，直接加工所需構(gòu)件的高溫合金材料，具有合金化程度高、抗蠕變性能好等特點(diǎn)。近年來，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)換為鑄造高溫合金，其中高溫合金K403具備優(yōu)良的鑄造性能，可制造復(fù)雜的精鑄件。

（3）粉末高溫合金

這是一類以精細(xì)金屬粉末為原料，采用熱等靜壓和等溫鍛造等方法加工而成的高溫合金材料。粉末高溫合金解決了傳統(tǒng)高溫合金偏析嚴(yán)重、成型困難等問題，具有屈服強(qiáng)度高、晶粒細(xì)小、疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，例如我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的FGH96合金是生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤的首選材料。

2 按基體元素分

（1）鐵基高溫合金

該類高溫合金以鐵（Fe）為主要基體，并加入了不同比例的鎳（Ni）、鉻（Cr）等合金元素，制造成本較低，多用于工作溫度低的環(huán)境，如使用溫度較低的燃?xì)鈾C(jī)的渦輪盤，以及一些承力件和緊固件。如圖所示為鐵基合金GH1311的金相組織。從圖中可以看出，鐵基高溫合金的顯微組織由一些等軸狀的多邊形晶粒構(gòu)成，屬于典型的奧氏體結(jié)構(gòu)，保證了鐵基高溫合金具有足夠的強(qiáng)度和一定的韌性。相對(duì)于其他2類高溫合金，鐵基高溫合金存在組織不夠穩(wěn)定、抗氧化能力差、使用溫度較低等缺點(diǎn)。

鐵基合金GH1311的金相組織

（2）鎳基高溫合金

該類高溫合金以Ni為主要基體，并在基體中溶入了多種合金元素。如下圖所示為鎳基合金Inconel718的金相組織。從圖中可以看出，鎳基高溫合金也是以奧氏體為基體的一類合金材料，但其材料組織分布更為緊密，表現(xiàn)出更好的組織穩(wěn)定性。相對(duì)于鐵基高溫合金，鎳基高溫合金中加入了更多種類的強(qiáng)化元素，保證了鎳基高溫合金具有更好的組織穩(wěn)定性和耐腐蝕性，工作溫度更高。相對(duì)于其他2種類型的高溫合金，鎳基高溫合金存在疲勞性能差、塑性較低的缺點(diǎn)。

鎳基合金Inconel 718的金相組織

（3）鈷基高溫合金

該類高溫合金以鈷（Co）為基體，合金中Co元素比例占60%以上，同時(shí)在基體中還溶入了不同比例的Ni、Cr等合金元素，增強(qiáng)了耐熱性能，是目前綜合性能最為優(yōu)異的一類高溫合金；但是，由于全球金屬鈷的產(chǎn)量相對(duì)缺乏，因此該類型高溫合金應(yīng)用并不廣泛。

目前，從高溫合金的應(yīng)用情況來看，鎳基高溫合金是使用最多的一類高溫合金，大部分航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片都采用鎳基合金制造。

3 按合金強(qiáng)化類型分

根據(jù)合金強(qiáng)化工藝，高溫合金主要分為固溶強(qiáng)化高溫合金和時(shí)效強(qiáng)化高溫合金2類。固溶強(qiáng)化處理是指在高溫合金中加入一定比例的合金元素，使其形成單相奧氏體組織，合金中的溶質(zhì)原子和位錯(cuò)相互作用使固溶體內(nèi)點(diǎn)陣發(fā)生畸變，固溶體中滑移難以進(jìn)行，位錯(cuò)阻力增大，進(jìn)而使合金得到強(qiáng)化。時(shí)效強(qiáng)化是指固溶處理完成后，將高溫合金在一定溫度下放置，使固溶的合金元素析出，形成彌散的硬質(zhì)點(diǎn)，使合金性能進(jìn)一步強(qiáng)化的一種工藝。

4 按制備工藝分

高溫合金的性能

01 熱強(qiáng)度高

高溫合金的熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，在600～1200℃的高溫環(huán)境中仍然可以保持較高的強(qiáng)度，能滿足長(zhǎng)時(shí)間高溫作業(yè)的要求。

02 組織性能穩(wěn)定

通常來說，合金中γ‘相的形態(tài)改變（具體包括形狀、尺寸、分布和含量等方面）會(huì)直接影響合金組織的穩(wěn)定性。高溫合金中含有鈮（Nb）、鈦（Ti）、鋁（Al）等典型的強(qiáng)化元素，通過調(diào)整這些強(qiáng)化元素的比例，可以充分發(fā)揮γ’相的穩(wěn)定性好和γ″相的高強(qiáng)化效果，使高溫合金具有優(yōu)于其他合金的組織穩(wěn)定性。

03 抗氧化、抗腐蝕性好

在鐵基合金中，為了改善其熱強(qiáng)性能，需加入Cr、Mo、V等元素。同樣，在鎳基合金中，為了增強(qiáng)原子間結(jié)合力和減緩擴(kuò)散，在其中需加入Cr、W、Mo元素。這些元素不僅提高了熱強(qiáng)度，而且明顯改善這類高溫合金的抗氧化、耐腐蝕能力，其中Cr、Mo、W等元素可以改善合金在氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，提高局部耐腐蝕性。

此外，高溫合金具有硬度大、熔點(diǎn)高、無毒、抗蠕變性能優(yōu)異等特點(diǎn)，可以保證它們?cè)趶?fù)雜惡劣的工作條件下仍然能夠具有良好的綜合性能，發(fā)揮其核心作用。

高溫合金的切削加工特點(diǎn)

1 切削力大

高溫合金材料具有較多的硬質(zhì)結(jié)合物和穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，在切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生特別強(qiáng)的抵抗變形的力，而且在相同的條件下，高溫合金與普通碳鋼相比，摩擦系數(shù)較大，切屑時(shí)刀具與工件的接觸面會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力。

2 切削溫度高

高溫合金具有較高的屈服強(qiáng)度，在切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生大量的切削熱，而且高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通鋼的1/3，小于大多數(shù)合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散出，產(chǎn)生很高的切削溫度。此外，刀具與產(chǎn)生的切屑接觸面積小，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量容易積聚在切削刃附近，導(dǎo)致刀具溫度急劇升高，加快刀具的損耗。

3 加工硬化嚴(yán)重

加工硬化是高溫合金加工過程中不可避免的現(xiàn)象。一方面，高溫合金具有較高的塑性和韌性，在刀具刃口和后刀面的擠壓和摩擦作用下，已加工表面的材料會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度的增加；另一方面，高溫合金的切削加工會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度，導(dǎo)致合金中的強(qiáng)化相從固溶體中析出，并呈彌散相分布，使加工硬化現(xiàn)象變得更為明顯。

4 刀具磨損嚴(yán)重

在切削高溫合金的過程中存在的切削溫度高和加工硬化嚴(yán)重等現(xiàn)象加劇了刀具的磨損，使刀具在很短的周期內(nèi)無法繼續(xù)使用。

5 排屑困難

由于高溫合金具有塑性好、強(qiáng)度高、切屑不易斷等特點(diǎn)，因此產(chǎn)生的切屑容易與工件和刀具產(chǎn)生纏繞。這種現(xiàn)象會(huì)影響刀具使用壽命，降低加工效率，同時(shí)也對(duì)切削加工質(zhì)量產(chǎn)生了不利的影響，如在加工表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕等。

高溫合金牌號(hào)

1、國(guó)外牌號(hào)

國(guó)外高溫合金牌號(hào)按生產(chǎn)廠家的注冊(cè)商標(biāo)命名：

2、國(guó)內(nèi)牌號(hào)

命名規(guī)則

與國(guó)外各制造商各自形成高溫合金體系標(biāo)準(zhǔn)不同，我國(guó)高溫合金建立了統(tǒng)一的高溫合金命名規(guī)則：GB/T14992《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號(hào)》。我國(guó)高溫合金牌號(hào)的命名采用字母加阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示，以合金成型方式、基體元素和強(qiáng)化方式、合金編號(hào)的順序構(gòu)建了完整體系。其中，合金成型方式有變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金）、焊接用高溫合金絲、粉末冶金高溫合金、彌散強(qiáng)化高溫合金和金屬間化合物高溫材料之分；在這些不同合金成型方式之下，再分鐵基、鎳基、鈷基及鉻基合金；在相同基體之下，又分固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化類型等。高溫合金牌號(hào)的命名規(guī)則如下圖。

表示方法

牌號(hào)前綴表示方法：

阿拉伯?dāng)?shù)字的表示方法：

表示方法分為兩類：

變形高溫合金和焊接用高溫合金絲牌號(hào)中數(shù)字的表示方法

其他高溫合金和金屬間化合物高溫材料牌號(hào)中數(shù)字的表示方法

變形高溫合金和焊接用高溫合金絲

前綴后采用四位阿拉伯?dāng)?shù)字。第一位數(shù)字表示合金的分類號(hào)；第二至四位數(shù)字表示合金編號(hào)，不足數(shù)的合金編號(hào)用“0”補(bǔ)齊。“0”放在第一位表示分類號(hào)的數(shù)字與合金編號(hào)之間。

分類號(hào)單雙數(shù)的選擇，按合金主要使用的強(qiáng)化類型確定。焊接用高溫合金絲牌號(hào)中的第一位數(shù)字沒有強(qiáng)化類型的含義，沿用變形高溫合金牌號(hào)的數(shù)字。

其他高溫合金和金屬間化合物高溫材料

鑄造高溫合金前綴后一般采用三位阿拉伯?dāng)?shù)字；粉末冶金高溫合金、彌散強(qiáng)化高溫合金、金屬間化合物高溫材料前綴后采用四位阿拉伯?dāng)?shù)字。同樣，第一位數(shù)字表示合金分類號(hào)，后面幾位數(shù)字表示合金編號(hào)。

高溫合金發(fā)展前景

含錸單晶葉片的研究

在單晶的成分設(shè)計(jì)中，要兼顧合金性能和工藝性能，由于單晶中不存在晶界，并應(yīng)用在較為苛刻的環(huán)境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發(fā)展，合金的化學(xué)成分具有如下變化趨勢(shì)：引入Re元素，引入Ru、Ir等鉑族元素，增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；難熔元素的加入總量增加，C、B、Hf等元素從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量使用”；降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩(wěn)定。

含錸單晶葉片大幅提升了其耐溫能力及蠕變強(qiáng)度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了鈷和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持久強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力達(dá)到很好的平衡。

含錸單晶葉片是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的趨勢(shì)。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，從而很快得到了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)界的普遍認(rèn)可，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片。

新型高溫合金的研究

市場(chǎng)分析新型高溫合金主要包括：粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤(rùn)材料等四種：

（1）粉末高溫合金技術(shù)：FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應(yīng)熔煉制取母合金，然后霧化制取預(yù)合金粉末，進(jìn)而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服度高和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前650℃工作條件下強(qiáng)度水平最高的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如渦輪盤和承力環(huán)件等；

（2）金屬間化合物用于制作各類先進(jìn)運(yùn)載工具動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)件，減少自重、提高效能；

（3）ODS合金具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，也可用于火力發(fā)電系統(tǒng)、煤氣化爐、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等；

（4）高溫金屬基自潤(rùn)滑材料主要用于生產(chǎn)高溫自潤(rùn)滑軸承，主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤(rùn)滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤(rùn)滑軸承（包括鑄鋼表面硫化處理軸承）在冶金設(shè)備上的應(yīng)用，該高溫自潤(rùn)滑軸承具有強(qiáng)度高、承載能力大、潤(rùn)滑效果好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、噪音小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

高溫合金標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)高溫合金標(biāo)準(zhǔn)化近期發(fā)展規(guī)劃

高溫合金作為航空、航天、石油化工、能源等各個(gè)重要領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，在中美關(guān)系日益緊張的世界環(huán)境下，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)高溫合金的全自主研發(fā)和進(jìn)口替代，解決各項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)是我國(guó)近些年來的重點(diǎn)關(guān)注方向。近年來，國(guó)家相繼出臺(tái)的一系列新材料發(fā)展規(guī)劃，如：《中國(guó)制造2025》、《關(guān)于加快新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》（2016年）、《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》（2017年）、《新材料標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》（2018年）等，均將高溫合金作為高端裝備用重點(diǎn)產(chǎn)品。這是我國(guó)高溫合金發(fā)展的重要機(jī)遇。標(biāo)準(zhǔn)是保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)，是產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的必備條件，因此，加快高溫合金，尤其是高端高溫合金標(biāo)準(zhǔn)的研制是促進(jìn)我國(guó)工業(yè)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

為了促進(jìn)我國(guó)重要領(lǐng)域用高溫合金實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，使我國(guó)高溫合金的質(zhì)量有新的突破，達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)專門組織國(guó)內(nèi)有關(guān)單位的專家開展了我國(guó)高溫合金標(biāo)準(zhǔn)體系的研究，提出了新的高溫合金標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方案如下圖。還制定了標(biāo)準(zhǔn)制修訂路線圖，按計(jì)劃分步實(shí)施。截至目前，在研的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目有3項(xiàng)，均已處于立項(xiàng)階段。