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)動機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料。在發(fā)動機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機(jī)總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動機(jī)基石"。

航空發(fā)動機(jī)用高溫合金占高溫合金需求的一半以上。隨著國內(nèi)一批新型號航空發(fā)動機(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)動機(jī)將進(jìn)入量產(chǎn)階段；小涵道比中推、小推航空發(fā)動機(jī)也將逐步進(jìn)入量產(chǎn)。國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)需求的增長將驅(qū)動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)拉動民用工業(yè)對高溫合金的需求，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，對應(yīng)市場空間90.5億元：航空發(fā)動機(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)動機(jī)的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展，民用裝備工業(yè)對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、熱處理三個過程。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料力學(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飛躍，發(fā)展處一批新型高溫合金，進(jìn)而推動一代航空發(fā)動機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號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)動機(jī)的進(jìn)步。F-22用的航空發(fā)動機(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，由于采用了計算流體動力學(xué)程序設(shè)計制造了超級冷卻葉片，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)動機(jī)

航空發(fā)動機(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)動力裝置的航空發(fā)動機(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)，高溫合金是推動航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動機(jī)通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評定發(fā)動機(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)動機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動機(jī)推重的要求比不斷提高，發(fā)動機(jī)對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)動機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動機(jī)總量的40%-60%。在航空發(fā)動機(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)動機(jī)通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動機(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)闊崮埽莿恿C(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，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)饬鲃臃较虻牟考?，是航空發(fā)動機(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，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動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*的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機(jī)性能不斷提高，對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要承受很大的離心應(yīng)力、振動應(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)動機(jī)中進(jìn)行使用。

（二）航天發(fā)動機(jī)

航天發(fā)動機(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、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗(yàn)，因此對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)動機(jī)相當(dāng)大的比重，在發(fā)動機(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)動機(jī)研制水平。

航天發(fā)動機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機(jī)用高溫合金，但航天發(fā)動機(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)動機(jī)結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機(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)動機(jī)可靠性。隨著航天發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，航天發(fā)動機(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)動機(jī)、小型渦噴渦扇發(fā)動機(jī)已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對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⒃齑瑯I(yè)的高品質(zhì)要求（特別是出口造船）、艦艇動力的高效要求、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)動機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動機(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），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)動機(jī)排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，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)子對高溫母合金的需求就在1,900噸以上。