高溫合金的概念、原理和分類

高溫合金通常是指能在 600~1200°C的高溫下抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機(jī)械應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的合金材料。

高溫合金強(qiáng)調(diào)的不是耐受溫度指標(biāo)，耐受溫度比高溫合金高的材料有很多，比如難熔合金、陶瓷及碳碳復(fù)合材料等。高溫合金最根本的特性在于一定溫度下所具有的高強(qiáng)度。以普通的建筑用鋼材為例，它在室溫下強(qiáng)度很高，但在建筑失火燃燒時(shí)強(qiáng)度會(huì)急劇下降，從而導(dǎo)致建筑坍塌。高溫合金的好處是，在 600~1200°C的高溫下，它依然能保持極高的強(qiáng)度和硬度以承受較高的載荷。因此俄羅斯將其稱為熱強(qiáng)合金，而歐美稱之為超合金（superalloy）。

普通鋼材含有十多種化學(xué)元素，而高溫合金通常含有超過(guò) 30-40 種元素，高溫合金之所以能在高溫下保持較高的強(qiáng)度和硬度主要原因在于這些元素在組織中發(fā)揮著強(qiáng)化金屬性能的作用。

高溫合金的分類有多種：

1）按制造工藝分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金三類。

2）按合金的主要元素分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金三類。3）按強(qiáng)化方式分為固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、氧化物彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化等。

以工藝分類來(lái)看，變形高溫合金應(yīng)用范圍最廣，占比達(dá) 70%，其次是鑄造高溫合金，占比 20%。以合金主要元素來(lái)看，鎳基高溫合金應(yīng)用范圍最廣，占比達(dá) 80%，其次為鎳-鐵基，占比 14.3%，鈷基占比最少，占比 5.7%。

高溫合金發(fā)展歷程及概況

高溫合金最早誕生于 20 世紀(jì)初期的美國(guó)，被用作車站的防腐支架。從二戰(zhàn)開(kāi)始，高溫合金的研制進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金紛紛研制成功，并大量應(yīng)用。

目前鎳基高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤、燃燒室等），也是核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面需要的重要高溫結(jié)構(gòu)材料。

高溫合金的發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段：二十世紀(jì) 40 年代以前提出概念，40-50 年代實(shí)現(xiàn)在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，50-60 年代在真空熔煉技術(shù)取得重大進(jìn)展，60-70 年代集中在合金化方面，70 年代后主要在工藝研究方面，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)械合金化和陶瓷過(guò)濾等新工藝成為高溫合金發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ渲卸ㄏ蚰坦に囍苽涞膯尉Ш辖鹩葹橹匾?，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中應(yīng)用尤為廣泛。

二十世紀(jì) 80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展數(shù)值模擬研究，取得了重要進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了顯微組織及冶金缺陷預(yù)測(cè)研究。

經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)外已擁有數(shù)十家實(shí)力強(qiáng)勁的高溫合金研制企業(yè)，承溫能力提升到 1140°C，已近金屬材料使用溫度極限。

鎳基高溫合金

在整個(gè)高溫合金領(lǐng)域中，鎳基高溫合金占有特殊重要的地位，與鐵基和鈷基合金相比，鎳基合金具有更好的高溫性能、良好的抗氧化和抗腐蝕性能。鎳基高溫合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。

其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B 型金屬間化合物[Ni3（Al,Ti）]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效強(qiáng)化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基高溫合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。可以說(shuō)，鎳基高溫合金的發(fā)展決定了航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，也決定了航空工業(yè)的發(fā)展。采用定向凝固技術(shù)制備出的鎳基單晶合金，其使用溫度已接近合金熔點(diǎn)的 90%，成為當(dāng)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的重要結(jié)構(gòu)材料。

鎳基高溫合金含有十多種元素，添加合金元素對(duì)高溫合金的性能起關(guān)鍵的作用。以鑄造鎳基高溫合金為例，鑄造鎳基高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ‘相進(jìn)行強(qiáng)化，γ’相數(shù)量較多，有的合金高達(dá) 60%;加入鈷元素能提高γ‘相溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強(qiáng)化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對(duì)晶界產(chǎn)生強(qiáng)化作用的碳化物；鋁、鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低γ’相的溶解度和高溫強(qiáng)度，因此鉻含量應(yīng)低些；鉿改善合金中溫塑性和強(qiáng)度；為了強(qiáng)化晶界，添加適量的硼、鋯等元素。研究表明，GMR235鑄態(tài)合金的含碳量為 0.18%時(shí)，高溫持久壽命和抗拉強(qiáng)度最大，且具有較好的塑性，添加硼和鋯的合金持久性明顯改善，合金的枝晶間距減少，碳化物的析出量減少且碳化物顆粒細(xì)化，從而改善各方面性能。

鎳基高溫合金是 20 世紀(jì) 30 年代后期開(kāi)始研制的。英國(guó)于 1941 年首先生產(chǎn)出鎳基高溫合金 Nimonic75;為了提高蠕變性又添加了鋁，研制出 Nimonic80。美國(guó)于40 年代中期，蘇聯(lián)于 40 年代后期，中國(guó)于 50 年代中期也研制出鎳基合金。

鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。50 年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50 年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫溫度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60 年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需求，60 年代以來(lái)還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從 40 年代初到 70 年代末大約 40 年的時(shí)間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從 700°C提高到 1100°C，平均每年提高 10°C 左右。

鎳基高溫合金按照制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。

變形高溫合金

變形高溫合金是高溫合金中應(yīng)用最廣的一類，占比達(dá)到 70%。變形高溫合金主要采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。我國(guó)鎳基變形高溫合金以拼音字母 GH 加序號(hào)表示，如 GH4169、GH141 等。

變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，因而需要采取鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套墩餅等新工藝來(lái)加工，也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來(lái)提高塑性。

鑄造高溫合金

隨著使用溫度和強(qiáng)度的提高，高溫合金的合金化程度越來(lái)越高，熱加工成形越來(lái)越困難，必須采用鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)，因此鎳基鑄造高溫合金在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中不可缺少。鑄造高溫合金應(yīng)用也較為廣泛，占比約 20%。國(guó)內(nèi)的鑄造高溫合金以“K”加序號(hào)表示，如 K1、K2 等。

粉末冶金高溫合金

隨著耐熱合金工作溫度越來(lái)越高，合金中的強(qiáng)化元素也越來(lái)越多，成分也越復(fù)雜，導(dǎo)致一些合金只能在鑄態(tài)上使用，不能夠熱加工變形。并且合金元素的增多使鎳基合金凝固后成分偏析嚴(yán)重，造成組織和性能的不均勻。采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高溫合金就能解決上述問(wèn)題。因?yàn)榉勰╊w粒小，制粉時(shí)冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來(lái)只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強(qiáng)度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產(chǎn)更高強(qiáng)度的合金產(chǎn)生了新的途徑。目前國(guó)內(nèi)粉末高溫合金已應(yīng)用于先進(jìn)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上的渦輪盤、壓氣機(jī)盤等重要部件上。

航發(fā)集團(tuán)航材院生產(chǎn)的粉末渦輪盤及空心單晶葉片

高溫合金的應(yīng)用

渦輪噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)

渦輪噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)是各類軍機(jī)、民航客機(jī)及巡航導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置。燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代大型軍艦的首選動(dòng)力裝臵。在軍艦動(dòng)力方案選擇上，燃?xì)廨啓C(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是柴油機(jī)和蒸汽輪機(jī)，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)功率密度大、啟動(dòng)速度快、噪聲低的先天優(yōu)勢(shì)與軍艦動(dòng)力系統(tǒng)性能要求更為吻合，因此燃?xì)廨啓C(jī)成為了各國(guó)軍艦動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的首要選擇。燃?xì)廨啓C(jī)和航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和核心機(jī)的結(jié)構(gòu)組成基本相同，因此本節(jié)一并討論。

高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用情況

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金結(jié)構(gòu)件

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭和彈道導(dǎo)彈的動(dòng)力裝臵，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)推進(jìn)劑形態(tài)分為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金的使用量較少。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由藥柱、燃燒室（殼體）、噴管組件和點(diǎn)火裝置等四部分組成。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受 2500~3500°C的高溫，壓力通常為 1~20MPa，一般采用高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。

截至目前，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料大體經(jīng)歷了四代發(fā)展過(guò)程，第一代為金屬材料；第二代為玻璃纖維復(fù)合材料；第三代為有機(jī)芳綸復(fù)合材料；第四代為高強(qiáng)中模碳纖維復(fù)合材料。

由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，且通常工作時(shí)間較短，因此盡管溫度超高，但結(jié)構(gòu)件承受的載荷較低，因此固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)兼具高溫、高載荷、長(zhǎng)時(shí)工作特性的高溫合金需求較少。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

我國(guó)高溫合金的發(fā)展

我國(guó)高溫合金的發(fā)展可分為三個(gè)階段

目前世界上僅有 4 個(gè)國(guó)家形成自己的高溫合金體系，分別為美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、中國(guó)。自 1956 年第一爐高溫合金 GH3030 試煉成功，迄今為止，我國(guó)高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)歷了 50 多年的發(fā)展歷程?；仡?50 多年的歷史，我國(guó)的高溫合金從無(wú)到有，從仿制到自主創(chuàng)新，合金的耐溫性能從低到高，先進(jìn)工藝得到了應(yīng)用，新型材料得以開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)且產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，并建立和完善了我國(guó)的高溫合金體系，使我國(guó)航空、航天工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展所需的高溫合金材料立足于國(guó)內(nèi)，也為其它工業(yè)部門的發(fā)展提供了需要的高溫材料。

歷經(jīng) 50 多年的發(fā)展，我國(guó)已形成了生產(chǎn)裝備比較先進(jìn)、具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。其中有變形高溫合金生產(chǎn)廠：東北特殊鋼集團(tuán)撫順特殊鋼公司，寶鋼股份公司特鋼事業(yè)部和攀鋼集團(tuán)長(zhǎng)城特殊鋼公司；有鍛件的熱加工廠：西南鋁業(yè)公司，第二重型機(jī)械集團(tuán)萬(wàn)航模鍛廠，中航工業(yè)宏遠(yuǎn)航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司（均為中航重機(jī)子公司）；有生產(chǎn)精密鑄件的中國(guó)航發(fā)集團(tuán)各航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的精密鑄造廠；也形成了一批研究水平較高、研究手段較齊備的科研單位：鋼研高鈉（原鋼鐵研究總院高溫合金研究所）、航發(fā)集團(tuán)北京航空材料研究院（621 所），中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。

高溫合金市場(chǎng)容量

全球高溫合金市場(chǎng)概況

2012 年，全球高溫合金消費(fèi)量為 28 萬(wàn)噸，占鋼鐵總消費(fèi)量的 0.02%，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)100 億美元。高溫合金的價(jià)格遠(yuǎn)高于其他鋼鐵品種，均價(jià)為 1.6 萬(wàn)美元/噸，用于航空航天的高端產(chǎn)品價(jià)格可達(dá) 3.6 萬(wàn)美元/噸，遠(yuǎn)高于不銹鋼的 0.33 萬(wàn)美元/噸，粗鋼的 0.07 萬(wàn)美元/噸。

高溫合金被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中航空航天領(lǐng)域占比一半以上，達(dá) 55%。其次是電力領(lǐng)域，占比 20%。

全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過(guò) 50 家，主要集中在美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)。發(fā)達(dá)國(guó)家一般將涉及航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品作為戰(zhàn)略軍事物資，很少出口。

可以看出，美、德、法、日為世界上高溫合金的主要生產(chǎn)國(guó)。國(guó)內(nèi)上鋼五廠（即寶鋼特鋼），撫順特鋼產(chǎn)量位于全球前 30 位。但整體看，國(guó)內(nèi)產(chǎn)量較低，合計(jì)不到全球產(chǎn)量的十分之一。

國(guó)內(nèi)高溫合金市場(chǎng)容量

2009 年，我國(guó)高溫合金材料年生產(chǎn)量在 1 萬(wàn)噸左右，需求達(dá) 2 萬(wàn)噸以上。到 2013年，這一市場(chǎng)供給并未發(fā)生太大變化，但需求已增長(zhǎng)至 3 萬(wàn)噸左右。截止 2016年，國(guó)內(nèi)高溫合金的產(chǎn)量已達(dá) 2 萬(wàn)噸左右。

2009 年我國(guó)航空航天、發(fā)電領(lǐng)域使用的高端和新型高溫合金市場(chǎng)需求量在 3000余噸，在其后的 5~10 年內(nèi)，每年呈 15%以上的速度增長(zhǎng)。以此推算，保守估計(jì) 2017年航空航天、發(fā)電領(lǐng)域的高端高溫合金市場(chǎng)需求已達(dá) 9000 噸以上。

國(guó)內(nèi)軍用高溫合金市場(chǎng)容量測(cè)

國(guó)內(nèi)高溫合金領(lǐng)域最為確定的剛性需求來(lái)自于軍機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)及巡航導(dǎo)彈航空發(fā)動(dòng)機(jī)方向。

目前全球民航機(jī)隊(duì)中所使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本被羅羅、GE、普惠（及其合資公司 CFMI、IAE）三大航發(fā)制造巨頭壟斷，其很少向我國(guó)的高溫合金研制企業(yè)采購(gòu)高溫合金產(chǎn)品。而中航工業(yè)商發(fā)為我國(guó)自主研制的大飛機(jī) C919 提供的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)要2025 年服役。

因此短期內(nèi)我國(guó)高溫合金研制企業(yè)進(jìn)入民航發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域阻力較大。而在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于軍品的特殊性，國(guó)外企業(yè)進(jìn)入國(guó)內(nèi)軍品市場(chǎng)存在天然壁壘。加之我國(guó)高溫合金經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已擁有多種對(duì)標(biāo)國(guó)外高溫合金的基礎(chǔ)牌號(hào)，國(guó)外高溫合金企業(yè)難以進(jìn)入我國(guó)軍用市場(chǎng)。

目前軍工領(lǐng)域高溫合金的應(yīng)用方向主要為軍機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)及巡航導(dǎo)彈航空發(fā)動(dòng)機(jī)。我們對(duì)軍用高溫合金的市場(chǎng)空間進(jìn)行初步測(cè)算。

我國(guó)是目前世界上僅有 4 個(gè)形成自己的高溫合金體系的國(guó)家之一

盡管與國(guó)外先進(jìn)水平仍然存在差距，但從近年來(lái)的公開(kāi)資料看，我國(guó)高溫合金及其制品的研制生產(chǎn)單位已取得了巨大進(jìn)步，當(dāng)前的技術(shù)能力和生產(chǎn)水平基本能夠支撐先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等產(chǎn)品型號(hào)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)軍工用高溫合金母合金的主要供應(yīng)商，上游母合金材料主要有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)企業(yè)撫順特鋼、鋼研高鈉、航材院、中科院金屬所及其控股企業(yè)中科三耐以及新興的民營(yíng)企業(yè)圖南股份等。精密鑄造企業(yè)主要為鋼研高鈉、航材院、中航精鑄，此外還有新興企業(yè)圖南股份、中科三耐、江蘇永瀚等。鍛件生產(chǎn)商主要有鋼研高鈉、中航重機(jī)旗下的陜西宏遠(yuǎn)和貴州安大、中國(guó)鋁業(yè)旗下的西南鋁業(yè)、中國(guó)二重旗下的萬(wàn)航模鍛以及新興企業(yè)無(wú)錫透平葉片、貴州航宇科技等。