高温合金材料的应用与发展

高温合金材料的应用与发展分析

李桃山 王保山

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：10号

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：20号

摘 要：

本文主要介绍高温合金材料的定义及加工特点，通过了解合金的使用范围及

选择标准，使更好的发展运用在各个领域。随着工业技术的发展。要求使用具有

耐更高温度下的疲劳、蠕变、热稳定性以及抗氧化性能的高温材料，以适应先进

设备（主要是航空运用）的设计要求，因此近半个多世纪以来人们从未停止过对

的各种高温合金材料研发。从我国高温材料的发展历程与现状分析认为，我们应

该发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我国

高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

关键字：

高温合金材料 合金分类 应用 合金发展前景 选择标准

前 言：

高温钛合金以其优良的热强性和高比荆花胃康胶丸 强度，在航空发动机上获得了广泛的应

用。类似的高温合金材料在未来很长的一段时间应该是王牌型材料，在科技日新

月异的今天，对高温合金材料的研究与来发具有很高的实际意义与战略意义。未

来的航空航天飞行器及其推力系统，要求发展比现有的Ti64和Ti6242合金的强

度、工作温度和弹性模量更高，密度更小，价格更低的高温合金材料，因此，高

温合金材料的是航空键鼠记忆 材料的发展主流。

一、高温合金材料的定义及加工特点

高温合金定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定

应力作用下长期工作的一类金属材料。并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和

抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组

织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

高温合金加工特点

对于镍合金、钛合金以及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了

加工难度。在加工时的重切削力和产生的高温共同作用下，使刀具产生碎片或变

形，进而导致刀具断裂。此外，大多数此类合金都会迅速产生加工硬化现象。工

件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生

不良应力，破坏加工零件的几何精度。加工钛合金同样面临这些问题。尽管加工

钛合金所需的切削力只比钢稍微高一点，但由于钛合金的特殊性能，使加工它比

加工同等硬度的钢要困难得多。

主要有以下几点：

1）钛合金和其它高温合金一样，也容易产生加工硬化；

2）钛基合金导热能力很低，使加工时产生的所有热量几乎都集中在切削刃

上；

3）钛合金的弹性模量很小，尤其是在重切削力时，使工件容易受刀具偏移

和震动的影响；

4）最严重的是钛合金比其它高温合金化学性能都要活泼，这一点使钛合金

工件在加工时很容易与刀具发生化学反应，从而导致工件产生缩孔。

因为以上原因，加工耐高温合金需要特殊的加工技术，这里就不详细列出。

二、合金使用范围及选择标准

在540 ～ 815℃高强度应用场合主要采用析出强化合金。这些合金体系均

包含通过镍、铝、钛或铌的析出物(Ni3 Al、Ni3 Ti、Ni3 Nb)以及固溶强化元素

(如Mo)加以强化的奥氏体基体。

当析出物过剩并随温度升高开始溶解时,说明这些合金已达到温度极限。但

是,通过增加析出成形元素(Ti、Al、Nb) ,可以提高其耐热性。此外,还必须持续

增加镍含量,以形成金属间析出物,并稳定合金含量更高的奥氏体结构。还可以添

加钴元素,降低析出物的溶解倾向。添加钨和钼等难熔元素,可提高高温硬度。所

有这些添加元素可改善耐热性能,但亦使合金成本大幅提高。

8款粥补气补血又养胃 选择合金取决于力学性能要求(即强度、蠕变、疲劳)以及最高使用温度。典

型高温合金的成分、力学性能和使用温度上限分别见表1、表2。

A - 286合金属于奥氏体析出硬化型高温合金,在最高620℃下可长期工作并

具有中等强度。A - 286的名义镍含量为25% ,成本较低。

按耐热性能的升序排列,其他常用合金有901、718、X750、751、Waspaloy

和Pyromet 41与720合金。表1所示为本系列材料逐渐增加的合金含量。

Pyromet 718合金也许是最通用的高温合金,在675℃具有高强度和抗蠕变性,

且这两种特性在 最高760℃下,均达合理水平,其抗疲劳特性极其优越。

Waspaloy合金主要用于温度超出675℃时和最高温度在760℃时需达至超蠕

变的情况。由于它的镍和钴含量更高,故其成本较高。Waspaloy是涡轮部件、锻

模紧固件和钢模锻造等的理想之选。

高温合金的发展已很成熟,根据具体需求发展现有合金,比开发新型合金更

为经济。合金生产工艺及控制技术日新月异,为合金性能的发展开辟了新的天地。

三、高温合金分类及其应用

1、高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、

镍基和铬基。

铁基高温合金——此类合金又分为固溶强化合金和时效硬化合金。时效硬化合金

包括PyrometA - 286、901、V - 57、CTX - 1、CTX - 909合金和Thermo - Span

合金。这些合金均包含铌及(或)钛和铝。经固溶时效硬化处理后,在595～705℃

下具备良好口腔囊肿怎么治疗 的强度与硬度。

镍基高温合金——此类合金又分为非时效硬化合金和时效硬化合金。含铬量约

20%,而镍含量为50%～ 80%。典型的时效硬化合金有:Waspaloy、Pyromet 720、

和Pyromet 41、80A、X - 750和751合金,这些合金的适用温度最高为870℃。

固溶强化合金( Pyromet 102、680和625合金) 最高工作温度达1 205℃。

钴基高温合金——此类合金的代表是L - 605。除含有镍、铁、铬和钨外,其钴

含量达50%;它属展延性合金,工作温度最高约1 040℃;此类合金还包括MP159

和188合金。此类合金尤其适用于需耐硫腐蚀的环境。

2、按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。按强化机理可分为碳

化甲磺酸伊马替尼 物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。

（1）铸造高温合金

铸造高温合金及制品主要以航空、航天发动机，地面燃机等动力机械为服务

对象，其发展主要以动力机械需求为牵引。铸造高温合金及制品对原材料要求高，

制备工艺复杂，产品质量控制严格，行业准入门槛高隶书字体特点 ，国内外具有研制和生产铸

造高温合金能力的企业数量有限。

近年来，国内外铸造高温合金发展趋势主要表现为：

1）在等轴晶方面不再投入大量的人力和物力进行新合金的研制，而是通过

工艺水平的提高，挖掘合金的潜能，提高等轴晶铸件的使用性能，因而高性能等

轴晶的发展是一个重要的方向。

2）目前各种先进铸件制造技术和设备在不断开发和形成，如细晶工艺、热

控凝固、真空离心铸造技术等，许多大型复杂结构高温合金铸件制造成功，并付

诸应用，特别是越来越呈现出材料和工艺互相影响和促进的趋势。发达国家在铸

造高温合金材料上将集中于少数极端工作条件的关键需求上，如适用于超高温、

大应力、富氧或腐蚀环境等。同时，继续开发新技术，并提高现有技术的控制水

平，从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

3）定向、单晶高温合金研究方兴未艾，新型合金不断涌现，定向凝固合金

已出现三代，单晶合金发展到5代，材料本体承温能力达到1200℃，基本达到

此类材料的极限。

（2）变形高温合金

变形高温合金在国内外发展基本比较平稳，美国变形高温合金年产量约4

万吨左右，我国约5000吨左右。变形高温合金在航空发动机中至今仍然是主要

用材，随着其他产品的日益成熟，变形高温合金的用量可能会有所减少，但这个

过程比较漫长。而且，通过改进现有变形高温合金的综合性能、优化生产工艺、

降低制造成本，变形高温合金至少在数十年内仍是航空发动机的主要用材。

目前，国内的变形高温合金使用可分为两大类：

一是军用，主要用户为航空、航天、舰用等领域，军品的特点是高牌号、高

使用性能、高精度、种类规格繁多。

二是民用，主要在石油化工、能源动力、冶金与环保等诸多民用工业领域广

泛应用，尤其是近几年来，随着产品的升级换代，高温服役的部件使用温度提高，

许多原先使用耐热钢、不锈钢部件都逐渐使用高温合金和耐蚀合金取代，对高温

合金及耐蚀合金的需求量非常大。民用变形高温合金产品种类主要有不同规格的

锻棒、轧棒、板材、带材、丝材、管材等。

（3）新型高温合金

新型高温合金包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化

（ODS）高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域。

1）粉末高温合金处于第三阶段，同时具有高强度、高使用温度及高抗裂纹

扩展能力，粉末高温合金材料及制件已关于自律的名言 经在国外获得了广泛的应用。

2）钛铝系金属间化合物的各个合金均在我国航空、航天和兵器领域开始应

用，应用进展明显快于国外。

3）氧化物弥散强化（ODS）高温合金主要用于航空航天等军工领域。

4）耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，目前在化纤等领域已经

得到广泛应用。

5）粉末冶金及纳米材料固体自润滑瘦骨嶙峋的意思 轴承、新型耐磨高韧性硬质合金、新型

高温固体自润滑密封件等已经在相关行业逐步得到推广。

四、我国高温合金的发展与展望

自1956 年第一炉高温合金GH3030试炼成功,迄今为止,我国高温合金的研究

生产和应用已经历了50多年的发展历程.目前，已有GH系变形高温合金和K系铸造

高温合金。可以说，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主开发和研究的能

力, 进行应用研究和对材料进行评估的能力以及进行故障分析的能力,可以解决

航空、航天及其它工业部门生产和发展中所遇到的各种高温合金材料问题。

50 多年来由于需求的推动, 春天诗歌 全国科技人员和企业共同努力, 我国逐步形成

了独有的高温合金体系, 其特点是牌号多, 性能相近的合金不少, 因而本来生

产量很小, 工艺和性能难以稳定的问题更加突出. 造成这种局面的主要原因是

每引进一种发动机, 就要试制一批合金, 再加我国自行研制的合金品种的不断

增加, 因而造成我国高温合金品种的多样化，但是最根本的原因是我们对每个合

金的深入研究不够, 对每个合金的特点不能做出有说服力的判断, 再加上合金

研制与设计人员沟通不够, 以及国家在这方面没有明确的政策, 造成合金的品

种增加多, 淘汰少, 从而形成当前如此局面, 这是留给高温合金工作者和发动

机设计人员的一个复杂而艰巨的任务. 应该指出, 要想合理地解决这一问题,

必须发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我

国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

五、结束语：

高温合金的研制与应用一直受到各国研究者的高度重视和政府的大力支持，

在中国西北地区亦是如此。但国内研制高温合金与国外有较大差距这种差距不是

在研究水平上，而是在工业化生产水平和应用尤其是应用上。

高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承

受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用

阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。

此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应

提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强

化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护

涂层材料和工艺也将获得进一步发展。

但是，由于高温合金的难变形特性以及我国尚无大型挤压机和先进的大型热

模锻、等温锻造等设备, 使我国高温合金材料的热加工面临很大的困难。虽然冶

金学家致力于合金化提高合金的耐高温性能，但收效甚微。

因此，进一步提高合金性能与对高温合金材料开发的工作道路仍学车心得体会 是曲折而漫

长的。

参考文献

[1] 胡本芙.高温合金研究的新进展[J].北京科技大学学报.1981年03期

[2] 师昌绪.仲增墉我国高温合金的发展与创新[J].第46 卷2010年11月第11

期第1281一1288 页

[3] Kurt P. Rohrbach .高温合金的发展与选择[J].宇航材料工艺.2005年

第01期

[4] 李凤梅.中国航空材料现状、问题与对策[A].中国材料研讨会论文摘要集

[C].2004年

[5] 施宗灿、齐焕君 张庆玲.航空材料的“领跑者”[N].中国航空报.2006