高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優異的高溫強度，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，又被稱為“超合金，”主要應用于航空航天領域和能源領域。

 

高溫合金的分類

 

1、按成型工藝分：

 

（1）變形高溫合金

 

這是根據所需零部件的要求，通過冷、熱變形等工藝加工成的一類傳統的高溫合金材料，也是目前我國生產和研制新型航空發動機的最主要材料之一，在國內外都得到了廣泛應用。隨著生產工藝的不斷改進，變形高溫合金的使用量開始減少，但是在較長的時間內仍會占據主要地位。近年來，我國科技人員解決了高溫合金熱變形加工中存在的關鍵性問題，在許多高難度變形高溫合金構件的制造研發中取得了重大成果，其中有我國自主研發的GH4169變形高溫合金。

 

（2）鑄造高溫合金

 

這是一類通過鑄造的方法，直接加工所需構件的高溫合金材料，具有合金化程度高、抗蠕變性能好等特點。近年來，用于航空發動機的材料已經逐步轉換為鑄造高溫合金，其中高溫合金K403具備優良的鑄造性能，可制造復雜的精鑄件。

 

（3）粉末高溫合金

 

這是一類以精細金屬粉末為原料，采用熱等靜壓和等溫鍛造等方法加工而成的高溫合金材料。粉末高溫合金解決了傳統高溫合金偏析嚴重、成型困難等問題，具有屈服強度高、晶粒細小、疲勞性能優異等特點，例如我國自主研發生產的FGH96合金是生產航空發動機的渦輪盤的首選材料。

 

2、按基體元素分

 

（1）鐵基高溫合金

 

該類高溫合金以鐵(Fe)為主要基體，并加入了不同比例的鎳(Ni)、鉻(Cr)等合金元素，制造成本較低，多用于工作溫度低的環境，如使用溫度較低的燃氣機的渦輪盤，以及一些承力件和緊固件。如圖所示為鐵基合金GH1311的金相組織。從圖中可以看出，鐵基高溫合金的顯微組織由一些等軸狀的多邊形晶粒構成，屬于典型的奧氏體結構，保證了鐵基高溫合金具有足夠的強度和一定的韌性。相對于其他2類高溫合金，鐵基高溫合金存在組織不夠穩定、抗氧化能力差、使用溫度較低等缺點。

鐵基合金GH1311的金相組織

 

（2）鎳基高溫合金

 

該類高溫合金以Ni為主要基體，并在基體中溶入了多種合金元素。如下圖所示為鎳基合金Inconel718的金相組織。從圖中可以看出，鎳基高溫合金也是以奧氏體為基體的一類合金材料，但其材料組織分布更為緊密，表現出更好的組織穩定性。相對于鐵基高溫合金，鎳基高溫合金中加入了更多種類的強化元素，保證了鎳基高溫合金具有更好的組織穩定性和耐腐蝕性，工作溫度更高。相對于其他2種類型的高溫合金，鎳基高溫合金存在疲勞性能差、塑性較低的缺點。

鎳基合金Inconel 718的金相組織

 

（3）鈷基高溫合金

 

該類高溫合金以鈷(Co)為基體，合金中Co元素比例占60%以上，同時在基體中還溶入了不同比例的Ni、Cr等合金元素，增強了耐熱性能，是目前綜合性能最為優異的一類高溫合金；但是，由于全球金屬鈷的產量相對缺乏，因此該類型高溫合金應用并不廣泛。

 

目前，從高溫合金的應用情況來看，鎳基高溫合金是使用最多的一類高溫合金，大部分航天發動機的渦輪葉片都采用鎳基合金制造。

 

3、按合金強化類型分

 

根據合金強化工藝，高溫合金主要分為固溶強化高溫合金和時效強化高溫合金2類。固溶強化處理是指在高溫合金中加入一定比例的合金元素，使其形成單相奧氏體組織，合金中的溶質原子和位錯相互作用使固溶體內點陣發生畸變，固溶體中滑移難以進行，位錯阻力增大，進而使合金得到強化。時效強化是指固溶處理完成后，將高溫合金在一定溫度下放置，使固溶的合金元素析出，形成彌散的硬質點，使合金性能進一步強化的一種工藝。

 

4、按制備工藝分

高溫合金的性能

 

01、熱強度高

高溫合金的熱穩定性能優良，在600～1200℃的高溫環境中仍然可以保持較高的強度，能滿足長時間高溫作業的要求。

 

02、組織性能穩定

通常來說，合金中γ'相的形態改變(具體包括形狀、尺寸、分布和含量等方面)會直接影響合金組織的穩定性。高溫合金中含有鈮(Nb)、鈦(Ti)、鋁(Al)等典型的強化元素，通過調整這些強化元素的比例，可以充分發揮γ'相的穩定性好和γ″相的高強化效果，使高溫合金具有優于其他合金的組織穩定性。

 

03、抗氧化、抗腐蝕性好

在鐵基合金中，為了改善其熱強性能，需加入Cr、Mo、V等元素。同樣，在鎳基合金中，為了增強原子間結合力和減緩擴散，在其中需加入Cr、W、Mo元素。這些元素不僅提高了熱強度，而且明顯改善這類高溫合金的抗氧化、耐腐蝕能力，其中Cr、Mo、W等元素可以改善合金在氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，提高局部耐腐蝕性。

 

此外，高溫合金具有硬度大、熔點高、無毒、抗蠕變性能優異等特點，可以保證它們在復雜惡劣的工作條件下仍然能夠具有良好的綜合性能，發揮其核心作用。

 

高溫合金的切削加工特點

 

1、切削力大

高溫合金材料具有較多的硬質結合物和穩定的微觀結構，在切削加工過程中會產生特別強的抵抗變形的力，而且在相同的條件下，高溫合金與普通碳鋼相比，摩擦系數較大，切屑時刀具與工件的接觸面會產生較大的摩擦力。

 

2、切削溫度高

高溫合金具有較高的屈服強度，在切削加工過程中會產生較大的塑性變形，進而產生大量的切削熱，而且高溫合金的導熱系數僅為普通鋼的1/3，小于大多數合金材料的導熱系數，因此產生的熱量無法及時散出，產生很高的切削溫度。此外，刀具與產生的切屑接觸面積小，切削時產生的熱量容易積聚在切削刃附近，導致刀具溫度急劇升高，加快刀具的損耗。

 

3、加工硬化嚴重

加工硬化是高溫合金加工過程中不可避免的現象。一方面，高溫合金具有較高的塑性和韌性，在刀具刃口和后刀面的擠壓和摩擦作用下，已加工表面的材料會產生明顯的塑性變形，導致強度和硬度的增加；另一方面，高溫合金的切削加工會產生較高的切削溫度，導致合金中的強化相從固溶體中析出，并呈彌散相分布，使加工硬化現象變得更為明顯。

 

4、刀具磨損嚴重

在切削高溫合金的過程中存在的切削溫度高和加工硬化嚴重等現象加劇了刀具的磨損，使刀具在很短的周期內無法繼續使用。

 

5、排屑困難

由于高溫合金具有塑性好、強度高、切屑不易斷等特點，因此產生的切屑容易與工件和刀具產生纏繞。這種現象會影響刀具使用壽命，降低加工效率，同時也對切削加工質量產生了不利的影響，如在加工表面產生嚴重的劃痕等。

 

高溫合金牌號

 

1、國外牌號

國外高溫合金牌號按生產廠家的注冊商標命名：

2、國內牌號

 

命名規則

與國外各制造商各自形成高溫合金體系標準不同，我國高溫合金建立了統一的高溫合金命名規則：GB/T14992《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號》。我國高溫合金牌號的命名采用字母加阿拉伯數字相結合的方法表示，以合金成型方式、基體元素和強化方式、合金編號的順序構建了完整體系。其中，合金成型方式有變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金）、焊接用高溫合金絲、粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金和金屬間化合物高溫材料之分；在這些不同合金成型方式之下，再分鐵基、鎳基、鈷基及鉻基合金；在相同基體之下，又分固溶強化和時效強化類型等。高溫合金牌號的命名規則如下圖。

表示方法

 

牌號前綴表示方法：

阿拉伯數字的表示方法：

 

表示方法分為兩類：

 

變形高溫合金和焊接用高溫合金絲牌號中數字的表示方法

 

其他高溫合金和金屬間化合物高溫材料牌號中數字的表示方法

 

變形高溫合金和焊接用高溫合金絲

 

前綴后采用四位阿拉伯數字。第一位數字表示合金的分類號；第二至四位數字表示合金編號，不足數的合金編號用“0”補齊。“0”放在第一位表示分類號的數字與合金編號之間。

 

分類號單雙數的選擇，按合金主要使用的強化類型確定。焊接用高溫合金絲牌號中的第一位數字沒有強化類型的含義，沿用變形高溫合金牌號的數字。

其他高溫合金和金屬間化合物高溫材料

 

鑄造高溫合金前綴后一般采用三位阿拉伯數字；粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料前綴后采用四位阿拉伯數字。同樣，第一位數字表示合金分類號，后面幾位數字表示合金編號。

高溫合金發展前景

 

含錸單晶葉片的研究

 

在單晶的成分設計中，要兼顧合金性能和工藝性能，由于單晶中不存在晶界，并應用在較為苛刻的環境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發展，合金的化學成分具有如下變化趨勢：引入Re元素，引入Ru、Ir等鉑族元素，增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；難熔元素的加入總量增加，C、B、Hf等元素從“完全去除”轉為“限量使用”；降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩定。

 

含錸單晶葉片大幅提升了其耐溫能力及蠕變強度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當增大了鈷和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持久強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。

 

含錸單晶葉片是未來航空發動機渦輪葉片的趨勢。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，從而很快得到了航空燃氣渦輪發動機界的普遍認可，幾乎所有先進航空發動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片。

 

新型高溫合金的研究

 

市場分析新型高溫合金主要包括：粉末高溫合金、金屬間化合物、ODS合金和高溫金屬自潤材料等四種：

 

（1）粉末高溫合金技術：FGH51粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝制備的相沉淀強化型鎳基高溫合金。合金盤件的制造工藝路線是采用真空感應熔煉制取母合金，然后霧化制取預合金粉末，進而制成零件毛坯。與同類鑄、鍛高溫合金相比，它具有組織均勻、晶粒細小、屈服度高和疲勞性能好等優點，是當前650℃工作條件下強度水平最高的一種高溫合金。該種高溫金主要用于高性能發動機的轉動部件，如渦輪盤和承力環件等；

 

（2）金屬間化合物用于制作各類先進運載工具動力推進系統的構件，減少自重、提高效能；

 

（3）ODS合金具有優良的高溫蠕變性能、高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能，可用于制造發動機關鍵部件，也可用于火力發電系統、煤氣化爐、工業燃氣輪機和工業鍋爐、玻璃制造、汽車柴油發動機、核反應堆等；

 

（4）高溫金屬基自潤滑材料主要用于生產高溫自潤滑軸承，主要用于替代含油軸承、鑲嵌式固體自潤滑軸承、雙金屬軸瓦及鑄硫鋼固體潤滑軸承（包括鑄鋼表面硫化處理軸承）在冶金設備上的應用，該高溫自潤滑軸承具有強度高、承載能力大、潤滑效果好、結構設計合理、噪音小、使用壽命長等優點。

 

高溫合金標準

部分高溫合金標準
鑄造高溫合金電子空位數計算方法	GB/T 31309-2020
等離子旋轉電極霧化高溫合金粉末	GB/T 38815-2020
等離子旋轉電極霧化制粉用高溫合金棒料	GB/T 38941-2020
高溫合金試驗方法第4部分:軋制高溫合金條帶晶粒組織和一次碳化物分布測定	GB/T 14999.4-2012
高溫合金試驗方法第2部分:橫向低倍組織及缺陷酸浸檢驗	GB/T 14999.2-2012
高溫合金試驗方法第3部分:棒材縱向斷口檢驗	GB/T 14999.3-2012
高溫合金試驗方法第1部分:縱向低倍組織及缺陷酸浸檢驗	GB/T 14999.1-2012
高溫合金精鑄葉片通用技術條件	GB/T 28412-2012
高溫合金精鑄結構件通用技術條件	GB/T 28411-2012
高溫合金管材通用技術條件	GB/T 28295-2012
高溫合金冷軋板	GB/T 14996-2010
高溫合金熱軋板	GB/T 14995-2010
高溫合金棒材通用技術條件	GB/T 25828-2010
高溫合金絲材通用技術條件	GB/T 25831-2010
高溫合金板(帶)材通用技術條件	GB/T 25827-2010

 

我國高溫合金標準化近期發展規劃

 

高溫合金作為航空、航天、石油化工、能源等各個重要領域的關鍵戰略材料，在中美關系日益緊張的世界環境下，早日實現我國高溫合金的全自主研發和進口替代，解決各項“卡脖子”技術是我國近些年來的重點關注方向。近年來，國家相繼出臺的一系列新材料發展規劃，如：《中國制造2025》、《關于加快新材料產業創新發展的指導意見》（2016年）、《新材料產業發展指南》（2017年）、《新材料標準領航行動計劃（2018-2020年）》（2018年）等，均將高溫合金作為高端裝備用重點產品。這是我國高溫合金發展的重要機遇。標準是保證和提高產品質量的依據，是產品進入國際國內市場的必備條件，因此，加快高溫合金，尤其是高端高溫合金標準的研制是促進我國工業發展的技術基礎。

 

為了促進我國重要領域用高溫合金實現國產化，實現進口替代，使我國高溫合金的質量有新的突破，達到國外先進水平，全國鋼標準化委員會專門組織國內有關單位的專家開展了我國高溫合金標準體系的研究，提出了新的高溫合金標準體系建設方案如下圖。還制定了標準制修訂路線圖，按計劃分步實施。截至目前，在研的標準項目有3項，均已處于立項階段。

 

參考文獻：王琳《我國高溫合金標準體系現狀與發展》.世界金屬導報