高溫合金材料特性及加工技術進展

白婷婷 張睿晗

摘? 要：高溫合金是一類能夠抗機械和化學侵蝕尤其是耐高于800度以上溫度的材料，已經應用到現代航空發動機和發電的渦輪系統中。而由于高溫合金材料諸多特性，使其被廣泛關注。文章重點就高溫合金材料特性及加工技術進展進行研究分析，以供參考和借鑒。

關鍵詞：高溫合金;材料特性;加工技術;進展

引言

高溫合金又叫熱強合金，按基體組織材料可分為三類，即鐵基、鎳基和鉻基，按生產方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金，它是航空航天領域中不可或缺的原材，它是航天航空制造發動機高溫部分的關鍵材料，主要用于制造燃燒室，渦輪葉片，導向葉片，壓氣機與渦輪盤，渦輪機匣等部位，使用溫度范圍在600-1200℃，受力與環境條件隨使用零件所在部分不同而異，對合金的力學、物理和化學性能有嚴格的要求，是發動機的性能、可靠性與壽命的決定性因素，因此高溫合金是各發達國家航空航天和國防領域中的研究重點項目之一。

1高溫合金材料簡介

相對于鐵基和鈷基高溫合金，鎳基高溫合金在現代工業中使用最廣泛，牌號最多，地位也最重要。鎳基高溫合金是以Ni-Cr二元系為基體，加入Co、Mo和W等固溶強化、沉淀強化和晶界強化元素。目前世界上的高溫合金，特別是單晶高溫合金材料的發展已經歷了4代，第1代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發動機上獲得廣泛應用。20世紀80年代后期以來，以PWA1484、ReneN5為代表的第2代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進航空發動機上得到大量使用，目前一些國家研制的第2代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應用在軍民用航空發動機上。

2高溫合金種類及材料特性分析

2.1高溫合金種類分析

2.1.1按基體元素分類

根據基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等，其中鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。它的基體是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1000℃以上的工作條件，采用固溶、時效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時需要加入Cr、Ni等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個國家鈷資源產量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件和較長時間受極限復雜應力高溫零部件，例如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能，一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優越的抗熱抗疲勞性。目前就高溫環境使用的高溫合金來分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處，同時鎳基高溫合金也是我國產量最大、使用量最大的一種高溫合金。很多渦輪發動機的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。

2.1.2按強化類型分類

根據合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金，所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質原子使固溶體基體點陣發生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質原子可以降低合金系的層錯能，提高位錯分解的傾向，導致交滑移難于進行，合金被強化，達到高溫合金強化的目的;所謂時效沉淀強化即合金工件經固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持性能的一種熱處理工藝。

2.2高溫合金材料特性分析

高溫環境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發生組織不穩定、在溫度和應力作用下產生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕。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組成和組織結構。以GH4169鎳基變形高溫合金為例，合金中鈮含量高，GH4169基體為Ni-Gr固溶體，含Ni質量分數在50%以上可以承受1000℃左右高溫，與美國牌號Inconel718相似，合金由γ基體相、δ相、碳化物和強化相γ′和γ″相組成。GH4169合金的化學元素與基體結構顯示了其強大的力學性能，屈服強度與抗拉強度都優于45鋼數倍，塑性也要比45鋼好。穩定的品格結構和大量強化因子構造了其優良的力學性能，但同時也反應了切削加工性差的特點。高溫合金由于其復雜、惡劣的工作環境，其加工表面完整性對于其性能的發揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料，其微觀強化項硬度高，加工硬化程度嚴重，并且其具有高抗剪切應力和低導熱率，切削區域的切削力和切削溫度高，在加工過程中經常出現加工表面質量低、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會產生硬化層、殘余應力、白層、黑層以及晶粒變形層等過大的問題。

3高溫合金材料在發動機渦輪中的應用進展

3.1導向器用高溫合金

導向器是渦輪發動機受熱沖擊最大的零件之一，當燃燒室出現燃燒不均勻，1級導向葉片受熱負荷很大，是造成導向葉片破壞的主要原因，其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃，區別是靜止件，所受機械負荷不大。通常容易發生熱應力，引起的扭曲，溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷，導向葉片合金應具有如下性能，即具有足夠的高溫強度，持久蠕性能及良好的熱疲勞性能，較高的抗氧化性和熱腐蝕性能，抗熱應力和震動，彎曲變形能力，良好的鑄造工藝成型性能和可焊性，涂層防護性能。目前高推重比的先進發動機多采用空心鑄造葉片，選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發動機使用高溫達1650-1930℃，需要采用隔熱涂層防護。冷卻和涂層防護條件下葉片合金的使用溫度達1100℃以上，對未來導向葉片材料使用的溫度密度成本提出新的更高要求。

3.2渦輪工作葉片用高溫合金

渦輪葉片是航空發動機的關鍵承熱轉動部件，工作溫度低于導向葉片50-100℃，轉動時承受很大的離心應力，振動應力，熱應力，氣流沖刷等作用，工作時條件惡劣。高推重比發動機要求熱端部件壽命大于2000h。因此，渦輪葉片合金在使用溫度下應具有很高的抗蠕變和持久斷裂強度，很好的高中溫綜合性能，如高低循環疲勞，冷熱疲勞，足夠的塑性和沖擊韌性，抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導熱性能，盡可能低的線膨脹系數;良好的鑄造工藝性能;長期的組織穩定性能，使用溫度下無TCP相析出，應用的合金經歷四個階段，即變形合金應用有GH4033、GH4143GH4118等;鑄造合金應用有K403、K417、K418、K405，定向凝固金DZ4、DZ22，單晶合金DD3、DD8、PW1484等，目前已發展至第三代單晶合金，我國單晶合金DD3和DD8分別用在我國渦扇發動機和直升機，艦載發動機。

結束語

綜上所述，高溫合金在航空領域的使用由來已久，隨著社會經濟和科技的快速發展，高溫合金所使用的溫度越來越高，對其性能要求也就越來越高，尤其是高溫強度和熱穩定性已經成為制約高溫合金發展的障礙。要想提高高溫合金的在高溫使用時的性能，就要了解影響其性能的因素。因此，本文對影響高溫合金的一些因素進行了簡單分析和總結，更多的因素和研究，還需科研工作者今后共同努力，相信在諸多科研工作者的共同努力下，高溫合金的使用溫度會越來越高。

參考文獻

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