1 高溫合金：環(huán)境條件中的最佳金屬新材料

長期以來，金屬材料一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料之一，其力、熱、電 磁、光、聲等指標決定了應(yīng)用領(lǐng)域。按照化學(xué)成分，金屬材料可分為純金屬材料和 合金材料，前者主要由一種金屬元素組成，后者由一種基體元素和一種以上的金屬 元素和/或非金屬元素所組成。由于合金材料中其他元素的加入，基體金屬的性能往 往會得到大幅改善，因而金屬新材料多以合金的形式應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)材料：制造構(gòu)造整體、實現(xiàn)運動和傳遞動力的結(jié)構(gòu)件，一般以力學(xué)性能 指標來評價，偶爾會提出抗腐蝕、抗氧化等物化性能等要求。

功能材料：利用其對外部環(huán)境的敏感反應(yīng)來實現(xiàn)信息處理和功能轉(zhuǎn)換，一 般以熱、電磁、光、聲等物理指標來評價，偶爾提出一定的力學(xué)性能要求。

從金屬材料被制成零部件服役的流程來看，主要分為采礦、冶煉、加工等環(huán)節(jié)。 零部件的全壽命過程較長，任何一個流程都不能作為金屬零部件的絕對主導(dǎo)因素， 上游的流程勢必會對下游流程產(chǎn)生一定的影響，因而對于金屬材料而言，產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián) 動效果較強，每一環(huán)節(jié)都可能誕生一批實力的優(yōu)質(zhì)公司。

相比于常用的鋁合金、鈦合金及鎂合金，高溫合金更適應(yīng)更高的溫度（600℃） 和腐蝕嚴重的服役環(huán)境。高溫合金種類繁多，不同類型的合金特點各異，應(yīng)用領(lǐng)域 也大相徑庭。按核心基體元素的劃分標準，高溫合金可分為鐵基高溫合金、鎳基高 溫合金和鈷基高溫合金等。我國由于鎳、鈷等資源相對貧乏，50 年代便開始鐵基合 金的研究，但鐵基合金使用溫度較低，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。鈷基合金具有優(yōu)異的抗 熱腐蝕性、抗熱疲勞性，以及良好的鑄造和焊接性，適合作為導(dǎo)向器的材料，但鈷資 源被剛果（金）壟斷，資源的稀缺造成其價格昂貴，鈷基合金生產(chǎn)和使用受成本限 制。相較而言，鎳基合金使用溫度較高、價格相對較低，具有顯著的性價比優(yōu)勢，目前鎳基合金占據(jù)高溫合金市場近 80%的份額。

1.1 變形高溫合金：先用于航空發(fā)動機的高溫合金類型

變形高溫合金是先用于航空發(fā)動機的高溫合金，目前已是用量大、品種多的一類高溫材料。變形高溫合金是經(jīng)過鍛造、軋制、墩粗和冷拔等塑性變形工藝 和熱處理支撐的一類高溫材料，以渦輪盤為主要應(yīng)用領(lǐng)域，按照渦輪盤使用溫度， 變形高溫合金大致可劃分為五代。

合金成分設(shè)計、熔煉、加工及熱處理等工藝成為提升變形高溫合金性能的核心 戰(zhàn)場。

合金成分方面，傳統(tǒng)“試驗-修正”實驗方式已不合適，數(shù)值模擬快速發(fā)展 變形高溫合金合金化程度較低，因而發(fā)展初期合金成分設(shè)計十分關(guān)鍵，目前高 溫合金中的元素共有十多種，可分為三類：第一類，優(yōu)先形成塑性性能好的奧氏體 的元素，包括 Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W、V 等；第二類，進入基體形成γ'相強化相的 元素，包括 Al、Ti、Nb、Ta 等；第三類，原子直徑大小不固定，常偏聚在晶界導(dǎo)致 晶界偏析的元素，有 Pb、Sn 等。合金成分設(shè)計的原則主要在于控制有害相析出、促 進有利相生成，以保證高溫合金的高溫強度。隨著高溫合金的發(fā)展，各元素優(yōu)化性 能的理論及數(shù)據(jù)庫都日趨完善，相關(guān)模型相繼建立，如電子空穴理論與相計算、d 電 子合金理論與新相機算、多元線性回歸及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，為計算機輔助設(shè)計變形 高溫合金成分打下了堅實的基礎(chǔ)，同時減少了實際實驗次數(shù)以降低合金成本。

熔煉工藝方面，三聯(lián)法漸成主流方法

通常合金化程度較高的變形高溫合金采用真空感應(yīng)爐熔煉成電極棒后，再經(jīng)電 渣重熔去除真空感應(yīng)熔煉電極中的夾雜物，以改善純凈度，為后續(xù)真空自耗爐提供 致密、無缺陷的電極，以提高重熔過程的穩(wěn)定性，降低合金的宏觀偏析。目前該法已 逐漸成為高合金化變形合金擴大錠型、消除低倍缺陷和提高質(zhì)量的主要措施。

變形工藝方面，相比鑄造及機加工，鍛造加工出的合金綜合性能好

高溫合金的變形工藝是合金在外力作用下，通過塑性變形，形成具有一定形狀、 尺寸及力學(xué)性能的型材、毛坯和零件的加工方法，可分為冷加工和熱加工，個別采 用溫加工。冷加工方面主要指絲材拉絲、管材冷拉冷拔及薄板的冷軋，熱加工則包 括鍛造、焊接等，主要可以細化晶粒、均勻組織及消除鑄造缺陷，可大幅改善高溫合 金的力學(xué)性能，其中鍛造熱加工工藝是變形高溫合金的主要手段。

隨著下游應(yīng)用環(huán)境的愈發(fā)嚴苛，變形高溫合金的強度要求愈發(fā)嚴格，因而添加 的元素總量隨之提高，組織結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，造成了零件加工變形抗力的提升，給鍛 造工藝帶來了極大的困難。

熱處理工藝方面，正確的工藝可使合金最大限度發(fā)揮作用

化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)是決定合金性能的關(guān)鍵所在，合金成分、熔煉工藝及變形 工藝確定后，合金性能往往依然無法滿足需求，熱處理工藝是最后的補足手段。然 而合理的熱處理工藝必然需要對合金的組成、相的穩(wěn)定性及性能要求擁有深入的了 解，尤其是鎳基高溫合金不易在加熱過程控制（調(diào)整）晶粒大小，因而熱處理工藝是 構(gòu)建變形高溫合金護城河的關(guān)鍵所在。

1.2 鑄造高溫合金：被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機渦輪葉片部位

同成分的鑄造高溫合金要比變形高溫合金使用溫度提高 10-30℃。鑄造高溫合 金由合金錠重熔后直接澆注或定向凝固成零件，因其可通過精密鑄造或者定向凝固 工藝科直接成型，因而無需考慮鍛造變形性能，合金元素總量要顯著高于變形合金， 持久強度、抗拉強度及使用溫度均有大幅提高。按照凝固方法可分為等軸晶鑄造高 溫合金、定向凝固高溫合金及單晶高溫合金三類。

1943 年美國在渦輪噴氣發(fā)動機選用鑄造高溫合金 HS-21 替代變形高溫 合金 Hastelloy-B，開創(chuàng)了鑄造高溫合金的先例；

20 世紀 50 年代，真空熔煉技術(shù)出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體去除，合金成 分得到精確控制，IN100、BI900 等紛紛出現(xiàn)；

20 世紀 60 年代，定向凝固技術(shù)的發(fā)展，促進了定向柱狀晶和單晶高溫合金 的蓬勃發(fā)展，航空發(fā)動機的使用溫度達到 1700℃以上。

隨著工業(yè)的發(fā)展，內(nèi)燃機葉片需要滿足更高的工作溫度和強度要求，以及葉片 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，致使通過鍛造成型的變形高溫合金已無法滿足要求，鑄造高 溫合金孕育而生。與航空發(fā)動機渦輪葉片相比，燃氣輪機渦輪葉片的材料對耐久性、 抗腐蝕性要求更高，使得航空發(fā)動機渦輪葉片材料不能直接用于燃氣輪機渦輪葉片。 燃氣輪機渦輪葉片長時間連續(xù)工作在高溫、易腐蝕和復(fù)雜應(yīng)力下，工作環(huán)境十分惡 劣，因此，只能通過高度的合金化不斷增強合金的高溫綜合性能。

燃氣輪機葉片材料及其成形技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化已有 60 多年的歷史，20 世紀 40— 50 年代，渦輪葉片以變形鈷（Co）基和鎳（Ni）基高溫合金為主要用材；50 年代中 期，隨著真空冶煉技術(shù)的商業(yè)化，開始研究鑄造鎳基合金；60 年代，精密鑄造技術(shù) 成熟，使得復(fù)雜葉片型面及冷卻通道設(shè)計變?yōu)榭赡?，通過添加合金元素改善材料的 組織結(jié)構(gòu)，提高了鑄造高溫合金的高溫強度，使燃氣輪機的入口溫度大幅度提高； 70 年代，定向凝固柱晶高溫合金開始用于航空發(fā)動機葉片；到了 90 年代后期，定向 凝固柱晶和單晶高溫合金開始用于重型燃氣輪機動葉片。通過定向凝固技術(shù)，將渦 輪葉片的組織由傳統(tǒng)的等軸晶改進為定向柱晶，能夠大大提高渦輪葉片的高溫性能。 尤其是單晶葉片，在定向凝固的過程中消除了葉片晶界，極大地提高了其高溫蠕變 性能，且高溫組織穩(wěn)定，綜合性能好。目前，大尺寸單晶空心高溫合金葉片材料及無 余量精密鑄造技術(shù)是重型燃氣輪機葉片制造技術(shù)的標志。