一文读懂先进高温合金材料

一、概述

No.1 高温合金的特点

高温合金又称为耐热合金和超合金，是指在600℃以上及应力作用下，具有长时间抗蠕变能力、高强度、耐腐蚀的金属材料。

相比普通金属，高温合金在复杂工作环境下具有以下优异性能：1）高温强度；2）抗氧化性；3）抗热腐蚀；4）抗疲劳性；5）断裂韧性；6）内部组织稳定，使用可靠。

No.2 高温合金的分类

按组成元素分类：

高温合金的组成元素主要包括铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、钛（Ti）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）等，其中最常见有铁基、镍基、钴基三种。铁基高温合金：由铁、铬、钨、钼等元素组成，在中等温度（600-850℃）条件下使用的高温合金。铁基合金成分简单，成本低廉，一般用于发动机中工作温度较低的部位如涡轮盘、机匣和轴等零件。镍基高温合金：由镍、铬、钼等元素组成，在中高温（650-1000℃）条件下使用的高温合金。在所有高温合金中，镍基高温合金的高温强度最大，广泛用于制造涡轮喷气式航空发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件，如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等。钴基高温合金：由钴、铬、钨、镍等元素组成，在高温条件下使用的奥氏体高温合金，含钴量40%-65%，具有良好的铸造性和焊接性，主要用于做导向叶片材料，由于钴资源较少，该类合金价格昂贵。

按制造工艺分类：

主要可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金三大类。变形高温合金：是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗腐蚀性能的一类合金，一般应用于发动机中的压气机盘、涡轮盘。铸造高温合金：以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。根据合金基体成分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钴基铸造高温合金3种类型；按结晶方式，又可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。粉末冶金高温合金：用粉末冶金工艺制取的高温合金。与传统的铸锻高温合金相比，具有组织均匀，无宏观偏析，屈服强度高，耐疲劳性好等优点。

按强化方式分类：

主要包括固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型四大类。

二、高温合金发展历程及市场前景

No.1 国内外高温合金发展历程

我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，虽然工艺相比国外还有一定差距，但亦成了美、英、俄外，世界上第四个具有自己高温合金体系的家。

No.2 高温合金市场前景

国际市场目前全球高温合金消费市场受到航空产业地区分布的影响，主要集中于欧美等地区，占比在70%以上。相应的主要生产代表也以美国、英国、法国和俄罗斯等欧盟国家为主。这些国家在高温合金材料的研发和生产方面已经有了一定的积累。
国内市场目前国内军用和民用飞机交付量的增加以及发动机国产化趋势，将带动国内高温合金需求的高速增长。

 三、高温合金的应用

基于高温合金在高温工作环境下的突出性能，高温合金被广泛应用于航空、航天发动机、舰船和工业用燃气轮机的核心热端部件。

No.1 在航空领域的应用

高温合金从诞生起就应用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

No.2 燃气轮机关键部件

燃气轮机具有体积小、重量轻、热效高、污染低、耗水少等优点，在船舶、电力、石化、冶金等领域的应用日趋广泛。燃气轮机的关键部件如涡轮工作叶片和涡轮导向叶片，由于特殊复杂的工作环境，对组成材料的整体性能要求极高。与航空发动机相比，燃气轮机要求高温合金除了良好的蠕变强度、疲劳强度和良好的塑性等共性外，还得具备极强的抗热腐蚀性、组织稳定性好。因此，高温合金是加工生产力学性能优异、组织稳定的涡轮工作叶片和导向叶片的核心原材料，直接决定了燃气轮机能否在复杂工作环境下长久高效运行。

No.3 汽车增压涡轮

涡轮增压技术能显著提高汽车的扭矩和功率，同时提升发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放，因此在汽车工业中逐渐得到推广。但是经过涡轮增压以后，发动机在工作时候的压力和温度都大幅提升，由于转速高，叶片上还受到多种交变应力的作用，因此要求涡轮材料具有较好的高温力学性能、屈服点和长期组织稳定性以及良好的铸造性能。铸造高温合金因具有足够的强度、热稳定性和良好的抗疲劳性等优点，被大量用于制作汽车增压器涡轮。

No.4 核电领域

核电用高温合金包括：燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架，高温气体炉热交换器等，均是其他材料难以代替的。

No.5 其它领域

除军事用途外，高温合金还在电力、石油化工、汽车、冶金、玻璃制造等民用领域发挥着不可替代的作用。

四、高温合金传统生产加工难点

高温合金因具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛用于制备航空航天、石油化工等领域先进动力推进系统的热端部件。复杂结构高温合金构件的制备已经成为航空航天等领域的关键核心技术，而现有的锻造、粉末冶金和铸造这3种高温合金构件制备工艺在复杂结构构件制备方面均存在一定的限制。

No.1 工序繁复

传统高温合金加工通常需要多个工序，涉及多次热处理、锻造、铸造等工艺步骤，加工过程复杂，增加了生产成本和加工周期。

No.2 高成本

由于高温合金具有高硬度和耐高温性，传统加工方法如铣削、车削、钻孔等通常需要使用高硬度切削工具和特殊的刀具进行切削，这不仅增加了切削工具的磨损和更换成本，还导致加工成本显著提高。

No.3 材料损耗

传统加工方法会导致高温合金材料的大量切削废料和切屑产生，这不仅增加了原材料的损耗，还给环境带来了处理和处理的问题。

No.4 复杂结构加工难

传统高温合金加工受到材料的硬度和脆性限制，对于复杂形状的零件，如曲线、异形孔等，加工困难度较大，需要耗费更多的时间和资源。