高温合金材料特性及加工技术进展

白婷婷 张睿晗

摘  要：高温合金是一类能够抗机械和化学侵蚀尤其是耐高于800度以上温度的材料，已经应用到现代航空发动机和发电的涡轮系统中。而由于高温合金材料诸多特性，使其被广泛关注。文章重点就高温合金材料特性及加工技术进展进行研究分析，以供参考和借鉴。

关键词：高温合金;材料特性;加工技术;进展

引言

高温合金又叫热强合金，按基体组织材料可分为三类，即铁基、镍基和铬基，按生产方式可分为变形高温合金和铸造高温合金，它是航空航天领域中不可或缺的原材，它是航天航空制造发动机高温部分的关键材料，主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机与涡轮盘，涡轮机匣等部位，使用温度范围在600-1200℃，受力与环境条件随使用零件所在部分不同而异，对合金的力学、物理和化学性能有严格的要求，是发动机的性能、可靠性与寿命的决定性因素，因此高温合金是各发达国家航空航天和国防领域中的研究重点项目之一。

1高温合金材料简介

相对于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金在现代工业中使用最广泛，牌号最多，地位也最重要。镍基高温合金是以Ni-Cr二元系为基体，加入Co、Mo和W等固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素。目前世界上的高温合金，特别是单晶高温合金材料的发展已经历了4代，第1代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。20世纪80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第2代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前一些国家研制的第2代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。

2高温合金种类及材料特性分析

2.1高温合金种类分析

2.1.1按基體元素分类

根据基体元素种类，高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等，其中铁基高温合金又可称作耐热合金钢。它的基体是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。镍基高温合金的含镍量在一半以上，适用于1000℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。钴基高温合金是以钴为基体，钴含量大约占60%，同时需要加入Cr、Ni等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于各个国家钴资源产量比较少，加工比较困难，因此用量不多。通常用于高温条件和较长时间受极限复杂应力高温零部件，例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。目前就高温环境使用的高温合金来分析，使用镍基高温合金的范围远远超过铁基和钴基高温合金用处，同时镍基高温合金也是我国产量最大、使用量最大的一种高温合金。很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室，甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料。

2.1.2按强化类型分类

根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金，所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能，提高位错分解的倾向，导致交滑移难于进行，合金被强化，达到高温合金强化的目的;所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理，冷塑性变形后，在较高的温度放置或室温保持性能的一种热处理工艺。

2.2高温合金材料特性分析

高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀。高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。以GH4169镍基变形高温合金为例，合金中铌含量高，GH4169基体为Ni-Gr固溶体，含Ni质量分数在50%以上可以承受1000℃左右高温，与美国牌号Inconel718相似，合金由γ基体相、δ相、碳化物和强化相γ′和γ″相组成。GH4169合金的化学元素与基体结构显示了其强大的力学性能，屈服强度与抗拉强度都优于45钢数倍，塑性也要比45钢好。稳定的品格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能，但同时也反应了切削加工性差的特点。高温合金由于其复杂、恶劣的工作环境，其加工表面完整性对于其性能的发挥具有非常重要的作用。但是高温合金是典型难加工材料，其微观强化项硬度高，加工硬化程度严重，并且其具有高抗剪切应力和低导热率，切削区域的切削力和切削温度高，在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损非常严重等问题。在一般切削条件下，高温合金表层会产生硬化层、残余应力、白层、黑层以及晶粒变形层等过大的问题。

3高温合金材料在发动机涡轮中的应用进展

3.1导向器用高温合金

导向器是涡轮发动机受热冲击最大的零件之一，当燃烧室出现燃烧不均匀，1级导向叶片受热负荷很大，是造成导向叶片破坏的主要原因，其使用温度比涡轮叶片大约高出100℃，区别是静止件，所受机械负荷不大。通常容易发生热应力，引起的扭曲，温度急剧变化引起的热疲劳裂纹及局部烧伤，导向叶片合金应具有如下性能，即具有足够的高温强度，持久蠕性能及良好的热疲劳性能，较高的抗氧化性和热腐蚀性能，抗热应力和震动，弯曲变形能力，良好的铸造工艺成型性能和可焊性，涂层防护性能。目前高推重比的先进发动机多采用空心铸造叶片，选定定向和单晶镍基高温合金。高推重比发动机使用高温达1650-1930℃，需要采用隔热涂层防护。冷却和涂层防护条件下叶片合金的使用温度达1100℃以上，对未来导向叶片材料使用的温度密度成本提出新的更高要求。

3.2涡轮工作叶片用高温合金

涡轮叶片是航空发动机的关键承热转动部件，工作温度低于导向叶片50-100℃，转动时承受很大的离心应力，振动应力，热应力，气流冲刷等作用，工作时条件恶劣。高推重比发动机要求热端部件寿命大于2000h。因此，涡轮叶片合金在使用温度下应具有很高的抗蠕变和持久断裂强度，很好的高中温综合性能，如高低循环疲劳，冷热疲劳，足够的塑性和冲击韧性，抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蚀性能;良好的导热性能，尽可能低的线膨胀系数;良好的铸造工艺性能;长期的组织稳定性能，使用温度下无TCP相析出，应用的合金经历四个阶段，即变形合金应用有GH4033、GH4143GH4118等;铸造合金应用有K403、K417、K418、K405，定向凝固金DZ4、DZ22，单晶合金DD3、DD8、PW1484等，目前已发展至第三代单晶合金，我国单晶合金DD3和DD8分别用在我国涡扇发动机和直升机，舰载发动机。

结束语

综上所述，高温合金在航空领域的使用由来已久，随着社会经济和科技的快速发展，高温合金所使用的温度越来越高，对其性能要求也就越来越高，尤其是高温强度和热稳定性已经成为制约高温合金发展的障碍。要想提高高温合金的在高温使用时的性能，就要了解影响其性能的因素。因此，本文对影响高温合金的一些因素进行了简单分析和总结，更多的因素和研究，还需科研工作者今后共同努力，相信在诸多科研工作者的共同努力下，高温合金的使用温度会越来越高。

参考文献

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