高溫合金的應用

高溫合金，又稱超合金，高溫合金是一種能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)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。高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動機中不可替代的關(guān)鍵材料。在發(fā)動機研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石"。

航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金需求的一半以上。隨著國內(nèi)一批新型號航空發(fā)動機進入量產(chǎn)，高溫合金需求有望快速增長。以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，WS-10發(fā)動機需求持續(xù)增長。未來幾年，隨著國產(chǎn)大型運輸機運20的投產(chǎn)，大涵道比發(fā)動機將進入量產(chǎn)階段；小涵道比中推、小推航空發(fā)動機也將逐步進入量產(chǎn)。國產(chǎn)航空發(fā)動機需求的增長將驅(qū)動航空用高溫合金需求進入快速增長期。

高溫合金在民用工業(yè)中的應用也越來越廣泛。高溫合金在燃氣輪機、車用渦輪增壓器、核電、石油石化等行業(yè)有著重要的應用。工業(yè)化的推進和國內(nèi)裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動民用工業(yè)對高溫合金的需求，目前民用高溫合金占總需求的20%，未來這一比例有望持續(xù)提升。

我們根據(jù)測算認為，到2020年，我國高溫合金需求約為4萬噸，對應市場空間90.5億元：航空發(fā)動機、汽車廢氣渦輪增壓器、核電工業(yè)用高溫合金需求的增長將驅(qū)動行業(yè)需求的爆發(fā)。而目前，我國高溫合金產(chǎn)能約1.26萬噸，實際產(chǎn)量8000-9000噸左右。高溫合金未來7年的需求復合增長率有望超過20%。

1高溫合金概覽

（一）高溫合金簡介及分類

高溫合金是在600℃以上的高溫及一定及一定應力作用下長期工作的一類金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能，在西方也稱之為超合金（Superalloys）。

高溫合金材料是航空發(fā)動機材料，在現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展中處于不可替代的位置，它的規(guī)模發(fā)展與否直接決定了航空裝備的發(fā)展水平。此外，高溫合金也廣泛應用于航天發(fā)動機的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展，民用裝備工業(yè)對高溫合金材料的需求呈不斷上升趨勢，高溫合金的耐高溫耐磨耐腐蝕的特點使其在柴油機和內(nèi)燃機渦輪增壓、燃氣輪機、能源動力、石油化工、玻璃建材等民用工業(yè)中的有廣泛的應用，民用工業(yè)的高溫合金使用量已經(jīng)提高到20%左右。

高溫合金可以根據(jù)材料成型方式、基體元素種類、合金強化類型等來劃分：

1）根據(jù)材料成型方式，高溫合金可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（包含普通精密鑄造合金、定向凝固合金、單晶合金等）、粉末冶金高溫合金（包含普通粉末冶金高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金ODS）；

2）根據(jù)基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等；

3）根據(jù)合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。

（二）高溫合金材料技術(shù)難點與創(chuàng)新

高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕等。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學組成和組織結(jié)構(gòu)。

高溫合金材料成分十分復雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學部穩(wěn)定，同時機加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應力等缺陷，為材料的化學性能和力學性能帶來十分不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料極易產(chǎn)生成分偏析，這種偏析對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的這些特點決定了它區(qū)別于普通金屬材料的加工工藝。

高溫合金的發(fā)展是合金理論與生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷改善和革新的過程，通過合金強化+工藝強化來不斷結(jié)合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；工藝強化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)等。

高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個過程。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料力學性能的影響重大，一項新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個飛躍，發(fā)展處一批新型高溫合金，進而推動一代航空發(fā)動機和航空飛機的發(fā)展。老型號的合金也可以改善工藝達到材料性能的提高。

例如，單晶渦輪葉片的應用顯著地推進了航空發(fā)動機的進步。F-22用的航空發(fā)動機F119的渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用了第三代單晶高溫合金PWA1484，該材料本身的最高工作溫度為1070℃左右，由于采用了計算流體動力學程序設(shè)計制造了超級冷卻葉片，使渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度提高至1621～1677℃（F100發(fā)動機為1400℃），可見工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的重要地位。

高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯(lián)工藝，真空自耗熔煉采用了先進熔煉控制方法等；通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；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。此外，氧化物彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中。