高温合金概念及分类

（一）高温合金简介及分类高温合金是在600℃以上的高温及一定及一定应力作用下长期工作的一类金属。高温合金区别于传统金属、合金的特点在于：在高温工作环境下合金具有较高的强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性，并在各种温度下保持良好的组织稳定性和使用可靠性等综合性能，在西方也称之为超合金（Superalloys）。高温合金材料是航空发动机的首选材料，在现代航空工业的发展中处于不可替代的位置，它的规模发展与否直接决定了航空装备的发展水平。此外，高温合金也广泛应用于航天发动机的热端部件。伴随工业化发展，民用高端装备工业对高温合金材料的需求呈不断上升趋势，高温合金的耐高温耐磨耐腐蚀的特点使其在柴油机和内燃机涡轮增压、燃气轮机、能源动力、石油化工、玻璃建材等民用工业中的有广泛的应用，民用工业的高温合金使用量已经提高到20%左右。高温合金可以根据材料成型方式、基体元素种类、合金强化类型等来划分：1）根据材料成型方式，高温合金可以分为变形高温合金、铸造高温合金（包含普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等）、粉末冶金高温合金（包含普通粉末冶金高温合金和氧化物弥散强化高温合金ODS）；2）根据基体元素种类，高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等；3）根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。高温合金牌号，采用规定的符号和阿拉伯数字表示。变形高温合金牌号，采用．“GH”字母组合作前缀(“G”、“H”分别为“高”、“合”汉语拼音的首位字母)，后接四位阿拉伯数字。“GH”符号后第一位数字表示分类号，即：1——表示固溶强化型铁基合金；2——表示时效硬化型铁基合金；3——表示固溶强化型镍基合金；4——表示时效硬化型镍基合金；5——表示固溶强化型钴基合金；6——表示时效硬化型钴基合金。“GH”符号后第二、三、四位数字表示合金的编号。高温合金在600-1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。镍基合金是高温合金中应用较广、高温强度较高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗yang化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗yang化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。（二）高温合金材料技术难点与创新高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀等。高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。高温合金材料成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学不稳定，同时机加工制成的零件表面留下加工硬化和残余应力等缺陷，为材料的化学性能和力学性能带来十分不利的影响。由于合金化程度高，高温合金材料极易产生成分偏析，这种偏析对铸造高温合金和变形高温合金的组织与性能都有重大影响。高温合金的这些特点决定了它区别于普通金属材料的加工工艺。高温合金的发展是合金理论与生产工艺技术不断改善和革新的过程，通过合金强化+工艺强化来不断结合提高合金的材料性能。合金强化包括合金固溶强化、第二相强化剂晶界强化等；工艺强化包括改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节改善合金组织结构等。高温合金的生产工艺主要包含熔炼、铸造、热处理三个过程。生产工艺对高温合金材料力学性能的影响重大，一项新工艺的引入，往往使高温合金的性能获得一个飞跃，发展处一批新型高温合金，进而推动一代航空发动机和航空飞机的发展。老型号的合金也可以改善工艺达到材料性能的提高。例如，单晶涡轮叶片的应用显著地推进了航空发动机的进步。F-22用的航空发动机F119的涡轮转子叶片选用了第三代单晶高温合金PWA1484，该材料本身的最高工作温度为1070℃左右，由于采用了计算流体动力学程序设计制造了超级冷却叶片，使涡轮转子叶片的工作温度提高至1621～1677℃（F100发动机为1400℃），可见工艺创新在材料发展中的重要地位。高温合金材料制备技术与工艺仍处于不断的进步和创新中。比如，冶炼工艺采用了真空感应+电渣重熔+真空自豪熔炼三联