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(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)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(dòng)機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石"。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝，WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)需求持續(xù)增長。未來幾年，隨著國產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20的投產(chǎn)，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)入量產(chǎn)階段；小涵道比中推、小推航空發(fā)動(dòng)機(jī)也將逐步進(jìn)入量產(chǎn)。國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求的增長將驅(qū)動(dòng)航空用高溫合金需求進(jìn)入快速增長期。

高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。高溫合金在燃?xì)廨啓C(jī)、車用渦輪增壓器、核電、石油石化等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。工業(yè)化的推進(jìn)和國內(nèi)裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動(dòng)民用工業(yè)對(duì)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(rèn)為，到2020年，我國高溫合金需求約為4萬噸，對(duì)應(yīng)市場空間90.5億元：航空發(fā)動(dòng)機(jī)、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(dòng)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(shí)際產(chǎn)量8000-9000噸左右。高溫合金未來7年的需求復(fù)合增長率有望超過20%。

一、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(yīng)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(diǎn)在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展，民用裝備工業(yè)對(duì)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(diǎn)使其在柴油機(jī)和內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓、燃?xì)廨啓C(jī)、能源動(dòng)力、石油化工、玻璃建材等民用工業(yè)中的有廣泛的應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化類型，高溫合金可以分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金。

（二）高溫合金材料技術(shù)難點(diǎn)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(yīng)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(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。

高溫合金材料成分十分復(fù)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(xué)部穩(wěn)定，同時(shí)機(jī)加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力等缺陷，為材料的化學(xué)性能和力學(xué)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(duì)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(diǎn)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(qiáng)化+工藝強(qiáng)化來不斷結(jié)合提高合金的材料性能。合金強(qiáng)化包括合金固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化劑晶界強(qiáng)化等；工藝強(qiáng)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(gè)過程。生產(chǎn)工藝對(duì)高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大，一項(xiàng)新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個(gè)飛躍，發(fā)展處一批新型高溫合金，進(jìn)而推動(dòng)一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號(hào)的合金也可以改善工藝達(dá)到材料性能的提高。

例如，單晶渦輪葉片的應(yīng)用顯著地推進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步。F-22用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序設(shè)計(jì)制造了超級(jí)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(dòng)機(jī)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(jìn)步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應(yīng)+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(jìn)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(qiáng)度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度等。此外，氧化物彌散強(qiáng)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。

二、高溫合金的應(yīng)用

有研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金占高溫合金總需求一半以上，此外還廣泛應(yīng)用于電力、汽車、機(jī)械等行業(yè)中。

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花"，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān)，高溫合金是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。提高推重比最直接和*的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?。因此高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級(jí)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重的要求比不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高性能高溫合金材料的依賴越來越大。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%-60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。提高推重比最直接、*的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/p>

燃燒室

燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮?，是?dòng)力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動(dòng)，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。

用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量最大、最為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點(diǎn)的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度，難以進(jìn)一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進(jìn)一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復(fù)合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強(qiáng)化合金、金屬間化合物、高溫高強(qiáng)鈦合金等。

導(dǎo)向葉片

導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃?dòng)方向的部件，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。

在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在四大熱端部件中所占大。渦輪盤工作時(shí)，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個(gè)部件的溫差大；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受重大的離心力；啟動(dòng)和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。

用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量最大、應(yīng)用范圍*的一個(gè)主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，對(duì)渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)使其成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進(jìn)一步研制中。

渦輪葉片

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境，渦輪葉片在承受高溫同時(shí)要承受很大的離心應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、熱應(yīng)力等。用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應(yīng)用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀(jì)80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行使用。

（二）航天發(fā)動(dòng)機(jī)

航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動(dòng)態(tài)載荷和特殊戒指的考驗(yàn)，因此對(duì)材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)大的比重，在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術(shù)的發(fā)展直接影響航天發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平。

航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金，但航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上一直沒有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。隨著航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。

我國的“長征"系列火箭以及“神舟"系列飛船，發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部分都采用了高溫合金材料。目前，航天領(lǐng)域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)、小型渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對(duì)航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進(jìn)入一個(gè)新的增長期。

（三）民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用

隨著工業(yè)化的推進(jìn)，工業(yè)向、大型化發(fā)展，高溫合金在民用工業(yè)中的需求也日益增長。高溫合金合金也是艦船、火車、汽車渦輪增壓器葉片及各類工業(yè)燃機(jī)葉片的優(yōu)選材料；鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩?、造船業(yè)的高品質(zhì)要求（特別是出口造船）、艦艇動(dòng)力的高效要求、工業(yè)燃機(jī)應(yīng)用的高速發(fā)展等急需高性能的高溫合金母合金。目前，國內(nèi)民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國50%的高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是高溫合金的另一個(gè)主要用途。燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致，也類似蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理與蒸汽輪機(jī)很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C(jī)屬于內(nèi)燃機(jī)，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機(jī)，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。

燃?xì)廨啓C(jī)的需求增長迅速，除用于發(fā)電外，還用于艦船動(dòng)力、天然氣疏松的加氣站等。與航空用高溫合金葉片相比，燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的使用壽命長（10萬小時(shí)），耐熱腐蝕、尺寸大，質(zhì)量要求很高。

汽車廢氣渦輪增壓器

汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機(jī)葉輪共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)子。此外內(nèi)燃機(jī)的閥座、鑲塊、進(jìn)氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。

渦輪增壓系統(tǒng)對(duì)燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的能量來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%—60%。2008年中國汽車工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對(duì)高溫母合金的需求就在1,900噸以上。