高溫合金管

按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按製備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式有固溶強化型、沉澱強化型、氧化物彌散強化型和纖維強化型等（見金屬的強化）。高溫合金主要用於製造航空、艦艇和工業用燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件（圖1）;還用於製造航天飛行器、火箭發動機、核反應堆、石油化工設備以及煤的轉化等能源轉換裝置。

變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度範圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。

1、固溶強化型合金

使用溫度範圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用於製作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。

2、時效強化型合金

使用溫度為-253～950℃，一般用於製作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。製作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；製作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大於40小時。

變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。

鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：

1.具有更寬的成分範圍由於可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對於鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ’含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優良性能。

2.具有更廣闊的應用領域由於鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、製造出近終形或無餘量的具有任意複雜結構和形狀的高溫合金鑄件。

根據鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的範圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用於製作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用複雜結構件等。

第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大於700MPa、拉伸塑性大於6%；950℃，200小時的持久強度極限大於230MPa。這類合金適於用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度範圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大於100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用於製作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。

隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、複雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用範圍不斷提高。

採用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝製造出高溫合金粉末的產品。採用粉末冶金工藝，由於粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。

FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大於50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求，是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

是採用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小於50nm)在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散於合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優良的高溫蠕變性能、優越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。

目前已實現商業化生產的主要有三種ODS合金：

MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位。可用於航空發動機燃燒室內襯。

MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃並保持相當高的高溫強度、耐中鹼玻璃腐蝕。現已用於製作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片。

MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用於航空發動機葉片。

金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的製備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。

Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強度、高鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點，可以使結構件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小於600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不鏽鋼的新材料。

在民用工業的很多領域，服役的構件材料都處於高溫的腐蝕環境中。為滿足市場需要，根據材料的使用環境，歸類出系列高溫合金。

1、高溫合金母合金系列

2、抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件

3、高強度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件

4、耐玻璃腐蝕系列產品

5、環境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列

6、特種精密鑄造零件(葉片、增壓渦輪、渦輪轉子、導向器、儀錶接頭)

7、玻棉生產用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌

9、閥門座圈

10、鑄造“U”形電阻帶

11、離心鑄管系列

12、納米材料系列產品

13、輕比重高溫結構材料

14、功能材料(膨脹合金、高溫高彈性合金、恆彈性合金系列)

15、生物醫學材料系列產品

16、電子工程用靶材系列產品

17、動力裝置噴嘴系列產品

18、司太立合金耐磨片

19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

從20世紀30年代後期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金。第二次世界大戰期間，為了滿足新型航空發動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發展時期。40年代初，英國首先在 80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ┡相以進行強化，研製成第一種具有較高的高溫強度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應活塞式航空發動機用渦輪增壓器發展的需要，開始用 Vitallium鈷基合金製作葉片。此外，美國還研製出 Inconel鎳基合金，用以製作噴氣發動機的燃燒室。以後，冶金學家為進一步提高合金的高溫強度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研製出一系列牌號的合金，如英國的“Nimonic”，美國的“Mar-M”和“IN”等；在鈷基合金中，加入鎳、鎢等元素，發展出多種高溫合金，如 X-45、HA-188、FSX-414等。由於鈷資源缺乏，鈷基高溫合金髮展受到限制。40年代，鐵基高溫合金也得到了發展，50年代出現 A-286和Incoloy901等牌號，但因高溫穩定性較差，從60年代以來發展較慢。蘇聯於1950年前後開始生產“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，後來生產“ЭП”系列變形高溫合金和“ЖС”系列鑄造高溫合金。中國從1956年開始試製高溫合金，逐漸形成“GH”系列的變形高溫合金和“K”系列的鑄造高溫合金。70年代美國還採用新的生產工藝製造出定向結晶葉片和粉末冶金渦輪盤，研製出單晶葉片等高溫合金部件，以適應航空發動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。

高溫合金應具有高的蠕變強度和持久強度（見蠕變）、良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能（見疲勞）、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能以及組織穩定，其中以蠕變強度和持久強度最為重要。提高高溫合金強度的途徑有：

固溶強化 加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變，加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素擴散速率的元素（鎢、鉬等），以強化基體。

沉澱強化 通過時效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ┡、γ"、碳化物等），以強化合金（見合金相）。γ┡相與基體相同，均為面心立方結構，點陣常數與基體相近，並與晶體共格，因此γ┡相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出，阻礙位錯運動，而產生顯著的強化作用。γ┡相是A3B型金屬間化合物，A代表鎳、鈷，B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢，而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ┡相為Ni3(Al,Ti)。γ┡相的強化效應可通過以下途徑得到加強：①增加γ┡相的數量；②使γ┡相與基體有適宜的錯配度，以獲得共格畸變的強化效應；③加入鈮、鉭等元素增大γ┡相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯切割的能力；④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ┡相的強度。γ"相為體心四方結構，其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯配度較大，能引起較大程度的共格畸變，使合金獲得很高的屈服強度。但超過700℃,強化效應便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ┡相，而用碳化物強化。

晶界強化 在高溫下，合金的晶界是薄弱環節（見界面），加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強度。這是因為稀土元素能凈化晶界，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過程中晶界擴散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促進晶界第二相球化。另外，鑄造合金中加適量的鉿，也能改善晶界的強度和塑性。還可通過熱處理在晶界形成鏈狀分佈的碳化物或造成彎曲晶界，提高塑性和強度。

氧化物彌散強化 通過粉末冶金方法，在合金中加入高溫下仍保持穩定的細小氧化物，呈彌散分佈狀態，從而獲得顯著的強化效應。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。這些氧化物是通過阻礙位錯運動和穩定位錯亞結構等因素而使合金得到強化的。

典型牌號 70年代典型的綜合性能較好的高溫合金牌號及其化學成分見表。就高溫下持久強度來說，鎳基合金最高，鈷基合金次之，鐵基合金較低（圖2）。

製造工藝不含或少含鋁、鈦的高溫合金，一般採用電弧爐或非真空感應爐冶鍊。含鋁、鈦高的高溫合金如在大氣中熔煉時，元素燒損不易控制，氣體和夾雜物進入較多，所以應採用真空冶鍊。為了進一步降低夾雜物的含量，改善夾雜物的分佈狀態和鑄錠的結晶組織，可採用冶鍊和二次重熔相結合的雙聯工藝。冶鍊的主要手段有電弧爐、真空感應爐和非真空感應爐；重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣爐。

固溶強化型合金和含鋁、鈦低（鋁和鈦的總量約小於 4.5%）的合金錠可採用鍛造開坯；含鋁、鈦高的合金一般要採用擠壓或軋制開坯，然後熱軋成材，有些產品需進一步冷軋或冷拔。直徑較大的合金錠或餅材需用水壓機或快鍛液壓機鍛造。

合金化程度較高、不易變形的合金，目前廣泛採用精密鑄造成型，例如鑄造渦輪葉片和導向葉片。為了減少或消除鑄造合金中垂直於應力軸的晶界和減少或消除疏鬆，近年來又發展出定向結晶工藝。這種工藝是在合金凝固過程中使晶粒沿一個結晶方向生長，以得到無橫向晶界的平行柱狀晶。實現定向結晶的首要工藝條件是在液相線和固相線之間建立並保持足夠大的軸向溫度梯度和良好的軸向散熱條件（見金屬的凝固）。此外，為了消除全部晶界，近年來還研究單晶葉片的製造工藝。

主要用以生產沉澱強化型和氧化物彌散強化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。

高溫合金的性能同合金的組織有密切關係，而組織是受金屬熱處理控制的。高溫合金一般需經過熱處理。沉澱強化型合金通常經過固溶處理和時效處理。固溶強化型合金只經過固溶處理。有些合金在時效處理前還要經過一兩次中間處理。固溶處理首先是為了使第二相溶入合金基體，以便在時效處理時使γ┡、碳化物（鈷基合金）等強化相均勻析出，其次是為了獲得適宜的晶粒度以保證高溫蠕變和持久性能。固溶處理溫度一般為1040～1220℃。目前廣泛應用的合金，在時效處理前多經過1050～1100℃中間處理。中間處理的主要作用是在晶界析出碳化物和γ┡膜以改善晶界狀態，與此同時有的合金還析出一些顆粒較大的γ┡相與時效處理時析出的細小γ┡相形成合理搭配。時效處理的目的是使過飽和固溶體均勻析出γ┡相或碳化物(鈷基合金)以提高高溫強度，時效處理溫度一般為700～1000℃。

高溫合金髮展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結晶葉片的綜合性能將得到改進。此外，有可能採用激冷態合金粉末製造多層擴散連接的空心葉片，從而適應提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護塗層材料和工藝也將獲得進一步發展。