高溫合金通常是指能夠存在的 600~1200°C能在高機械應力下長期工作的合金材料在高機械應力下長期工作。

　　高溫合金不強調(diào)耐溫指標。耐受性高于高溫合金的材料有很多，如難熔合金、陶瓷和碳復合材料。高溫合金最根本的特點是一定溫度下的高強度。以普通建筑鋼材為例，室溫下強度高，但建筑火災燃燒時強度急劇下降，導致建筑倒塌。高溫合金的優(yōu)點是在 600~1200°C它在高溫下仍能保持高強度和硬度，以承受高負荷。因此，俄羅斯熱強合金，歐美叫超合金。(superalloy)。

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　　普通鋼含有十多種化學元素，而高溫合金通常含有十多種 30-40 高溫合金之所以能在高溫下保持高強度和硬度，主要是因為這些元素在組織中起著作用。

　　1)分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金。

　　1)分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金。

　　2)分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。3)分為固溶強化、及時強化、氧化物彌散強化和晶界強化。

　　在工藝分類方面，變形高溫合金最廣泛，占比最大 二是鑄造高溫合金，占70% 20%。鎳基高溫合金以合金為主要元素，應用最廣泛，占比最大 80%，其次是鎳-鐵基，占比 鈷基比例最小，14.3% 5.7%。

　　高溫合金最早誕生 20 美國在世紀初被用作車站的防腐支架。二戰(zhàn)以來，高溫合金的發(fā)展進入了快速發(fā)展的時期。鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金已成功廣泛應用。

　　目前，鎳基高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器、火箭發(fā)動機、船舶和工業(yè)燃氣輪機的關鍵熱端部件（如渦輪葉片、導向葉片、渦輪板、燃燒室等）。是核反應堆、化工設備、煤炭轉(zhuǎn)化技術等方面所需的重要高溫結(jié)構(gòu)材料。

　　高溫合金的發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段：20世紀 40 40-50年代提出概念 噴氣發(fā)動機的應用于20世紀50-60年代實現(xiàn) 真空熔煉技術在60-70年代取得了重大進展 70年代集中在合金化上 主要從事工藝研究，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化、陶瓷過濾等新工藝已成為高溫合金發(fā)展的主要動力，其中定向凝固工藝制備的單晶合金尤為重要，廣泛應用于航空發(fā)動機渦輪葉片。

　　二十世紀 80 自20世紀以來，數(shù)值模擬研究在國內(nèi)外得到了廣泛的發(fā)展，并在此基礎上進行了顯微組織和冶金缺陷預測研究。

　　二十世紀 80 自20世紀以來，數(shù)值模擬研究在國內(nèi)外得到了廣泛的發(fā)展，并在此基礎上進行了顯微組織和冶金缺陷預測研究。

　　經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，國外有幾十家實力雄厚的高溫合金研發(fā)企業(yè)，承溫能力提高到 1140°C，金屬材料的溫度極限已接近。

　　鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特別重要的地位。鎳基合金比鐵基和鈷基合金具有更好的高溫性能、良好的抗氧化性和耐腐蝕性。鎳基高溫合金是高溫合金中應用最廣泛、高溫強度最高的合金。

　　主要原因是鎳基合金能溶解更多的合金元素，保持良好的組織穩(wěn)定性；二是形成共格有序 A3B 型金屬間化合物[Ni3(Al,Ti)]作為強化相，有效強化合金獲得高溫強度高于鐵基高溫合金和鈷基高溫合金；第三，鉻鎳基高溫合金比鐵基高溫合金具有更好的抗氧化性和耐燃氣腐蝕性。鎳基高溫合金的發(fā)展決定了航空渦輪發(fā)動機和航空工業(yè)的發(fā)展。鎳基單晶合金的使用溫度接近合金熔點 90%已成為當代先進航空發(fā)動機熱端部件不可替代的重要結(jié)構(gòu)材料。

　　鎳基高溫合金含有十多種元素，在高溫合金的性能中起著關鍵作用。以鑄造鎳基高溫合金為例，鑄造鎳基高溫合金γ添加鋁、鈦、鈮、鉭等相對基體γ加強相，γ相數(shù)較多，有的合金高達 60%；鈷可以增加γ相溶解溫度，提高合金使用溫度；鉬、鎢、鉻具有加強固溶體的作用，鉻、鉬、鉭也能形成一系列碳化物，加強晶體邊界；鋁、鉻有助于抗氧化，但鉻會降低γ溶解度和高溫強度，因此鉻含量應較低；提高合金的中溫塑性和強度；添加適量的硼、鋯等元素，以增強晶界。研究表明，GMR235鑄態(tài)合金含碳量 0.18%時，高溫耐久性和抗拉強度最大，塑性好。研究表明，GMR235鑄態(tài)合金含碳量 0.18%時，高溫耐久性和抗拉強度最大，塑性好。添加硼和鋯的合金耐久性顯著提高，合金枝晶間距減小，碳化物沉淀減少，碳化物顆粒細化，各方面性能提高。

　　鎳基高溫合金是 20 世紀 30 年代末開始發(fā)展。英國于 1941 第一年生產(chǎn)鎳基高溫合金 Nimonic75.為了提高蠕變性，添加了鋁并開發(fā)出來 Nimonic80。美國于40 蘇聯(lián)在年中 40 年底，中國于 50 年中還開發(fā)了鎳基合金。

　　鎳基合金的發(fā)展包括合金成分的改進和生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新。50 20世紀初，真空熔煉技術的發(fā)展為含有高鋁和鈦的鎳基合金的煉制創(chuàng)造了條件。早期鎳基合金多為變形合金 20世紀末，由于渦輪葉片工作溫度的提高，合金需要更高的高溫，但合金強度高，難以變形，甚至不能變形。因此，采用熔模精密鑄造工藝，開發(fā)了一系列高溫強度好的鑄造合金。60 在20世紀中期開發(fā)了更好的定向晶體、單晶高溫合金和粉末冶金高溫合金。為滿足船舶和工業(yè)燃氣輪機的需要，60 自20世紀以來，開發(fā)了一批耐熱性好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從 40 年代初到 70 年代末大約 40 鎳基合金的工作溫度在年內(nèi)從 700°C提高到 1100°C，平均每年都在增加 10°C 左右。

　　鎳基高溫合金可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。

　　變形高溫合金是高溫合金中應用最廣泛的一種 70%。變形高溫合金主要采用傳統(tǒng)的鍛造、軋制、擠壓等冷熱變形手段。我國鎳基變形高溫合金采用拼音字母 GH 加序號表示，如 GH4169、GH141 等。

　　高溫合金塑性低，變形阻力大，普通熱加工方法難以變形。因此，需要采用鋼錠直接軋制、鋼錠包裝直接軋制、墩餅包裝等新工藝，以及鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝，以提高塑性。

　　隨著使用溫度和強度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成型越來越困難，必須采用鑄造工藝。此外，空心葉片中復雜冷卻技術的復雜型腔只能采用精密鑄造工藝生產(chǎn)，因此鎳基鑄造高溫合金在實際生產(chǎn)應用中是必不可少的。鑄造高溫合金也被廣泛使用，約占比 20%。如國內(nèi)鑄造高溫合金K加序號， K1、K2 等。

　　隨著耐熱合金的工作溫度越來越高，合金中的強化元素越來越多，成分也越來越復雜，導致部分合金只能在鑄造狀態(tài)下使用，不能熱加工變形。此外，合金元素的增加嚴重分析了鎳基合金凝固后的成分，導致組織和性能不均勻。上述問題可通過粉末冶金工藝生產(chǎn)來解決。由于粉末顆粒小，制粉時冷卻速度快，消除了偏析，提高了熱加工性能，將只能鑄造的合金轉(zhuǎn)化為可熱加工的變形高溫合金，提高了屈服強度和疲勞性能。粉末高溫合金為生產(chǎn)高強度合金創(chuàng)造了新的途徑。目前，國內(nèi)粉末高溫合金已應用于渦輪盤、壓氣機盤等先進型號發(fā)動機的重要組成部分。

　　航空發(fā)展集團航空材料研究所生產(chǎn)的粉末渦輪盤和空心單晶葉片

　　渦輪噴氣式航空發(fā)動機和燃氣輪機

　　渦輪噴氣式航空發(fā)動機是各種軍用飛機、民用飛機和巡航導彈的動力裝置。燃氣輪機是現(xiàn)代大型軍艦的首選動力裝置。燃氣輪機的主要競爭對手是柴油機和蒸汽輪機。但由于燃氣輪機具有功率密度高、啟動速度快、噪聲低等先天優(yōu)點，更符合軍艦動力系統(tǒng)的性能要求，燃氣輪機已成為各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的首選。本節(jié)討論了燃氣輪機和航空渦輪噴氣發(fā)動機的工作原理與核心機基本相同。

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　　高溫合金在航空發(fā)動機中的應用

　　航空發(fā)動機高溫合金結(jié)構(gòu)件

　　火箭發(fā)動機是運載火箭和彈道導彈的動力裝置，火箭發(fā)動機按推進劑型分為固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機。

　　高溫合金在固體火箭發(fā)動機中的使用較少。主要由藥柱、燃燒室(外殼)、噴嘴組件和點火裝置組成的固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)相對簡單。燃燒室必須承受促進劑燃燒 2500~3500°C壓力通常是高溫 1~20MPa，一般采用高強度合金鋼、鈦合金或復合材料制成，藥柱與燃燒內(nèi)壁之間設有隔熱襯。

　　到目前為止，固體火箭發(fā)動機外殼材料一般經(jīng)歷了四代發(fā)展過程，第一代是金屬材料；第二代是玻璃纖維復合材料；第三代是有機芳綸復合材料；第四代是高強度中模碳纖維復合材料。

　　由于固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部無旋轉(zhuǎn)部件，工作時間通常較短，雖然溫度過高，但結(jié)構(gòu)部件負荷較低，固體火箭發(fā)動機對高溫、高負荷、長期工作特性的高溫合金需求較少。

　　固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機

　　我國高溫合金的發(fā)展可分為三個階段

　　世界上只有 4 在美國、英國、俄羅斯、中國等國家形成了自己的高溫合金體系。自 1956 第一爐高溫合金 GH3030 到目前為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應用已經(jīng)歷過 50 多年的發(fā)展歷程?；仡?50 多年來，我國高溫合金從零開始，從模仿到獨立創(chuàng)新，合金耐溫性從低到高，應用先進技術、新材料開發(fā)、生產(chǎn)技術和產(chǎn)品質(zhì)量，建立和完善我國高溫合金體系，使我國航空航天工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展所需的高溫合金材料，也為其他工業(yè)部門的發(fā)展提供所需的高溫材料。

　　歷經(jīng) 50 經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已形成了生產(chǎn)設備相對先進、規(guī)模較大的生產(chǎn)基地。變形高溫合金廠：東北特種鋼集團撫順特種鋼公司、寶鋼特種鋼業(yè)務部、攀鋼集團長城特種鋼公司；鍛件熱加工廠：西南鋁公司、第二重型機械集團萬航模鍛廠，中航工業(yè)宏遠航空鍛造公司和安達航空鍛造公司(均為中航重機子公司)；中國航空發(fā)動機集團各航空發(fā)動機公司生產(chǎn)精密鑄件的精密鑄造廠；還形成了一批研究水平高、研究手段齊全的科研單位:鋼研高鈉(原鋼鐵研究院高溫合金研究所)、北京航空材料研究所(621) 中國科學院金屬研究所，北京科技大學、東北大學、西北理工大學等。

　　全球高溫合金市場概況

　　2012 年，全球高溫合金消費量為 28 占鋼鐵總消耗量的萬噸 0.02%的市場規(guī)模達到1000 億美元。高溫合金價格遠高于其他鋼鐵品種，均價為 1.6 航空航天高端產(chǎn)品價格可達1萬美元/噸 3.6 一萬美元/噸遠高于不銹鋼 0.33 粗鋼每噸1萬美元 0.07 萬美元/噸。高溫合金價格遠高于其他鋼鐵品種，均價為 1.6 航空航天高端產(chǎn)品價格可達1萬美元/噸 3.6 一萬美元/噸遠高于不銹鋼 0.33 粗鋼每噸1萬美元 0.07 萬美元/噸。

　　高溫合金廣泛應用于各個領域，其中航空航天領域占一半以上 55%。二是電力領域，占比 20%。

　　能夠在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)航空航天高溫合金的企業(yè)不得超過 50 家主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發(fā)達國家一般以高溫合金產(chǎn)品為戰(zhàn)略軍事物資，很少出口。

　　美、德、法、日是世界上高溫合金的主要生產(chǎn)國。撫順特鋼產(chǎn)量居世界前列，國內(nèi)上鋼五廠(即寶鋼特鋼) 30 但總體而言，國內(nèi)產(chǎn)量較低，總產(chǎn)量不到全球產(chǎn)量的十分之一。

　　2009 我國高溫合金材料年產(chǎn)量 1 需求達到1萬噸左右 2 萬噸以上。到。到 2013年，市場供應變化不大，但需求增長至 3 萬噸左右。截止 2016年，國內(nèi)高溫合金產(chǎn)量達到 2 萬

　　噸左右。

　　2009 高端新型高溫合金在中國航空航天和發(fā)電領域的市場需求是 后面有3000多噸 5~10 年內(nèi)，每年呈現(xiàn) 速度增長超過15%。保守估計 2017年，航空航天和發(fā)電領域高端高溫合金的市場需求已經(jīng)達到 9000 噸以上。

　　軍用航空發(fā)動機、船舶燃氣輪機和巡航導彈航空發(fā)動機是我國高溫合金領域最確定的剛性需求。

　　目前，全球民航機隊使用的航空發(fā)動機基本上是羅羅，GE、普惠(及其合資公司 CFMI、IAE)三大航發(fā)制造巨頭壟斷，很少從中國高溫合金開發(fā)企業(yè)購買高溫合金產(chǎn)品。中航工業(yè)商業(yè)為中國自主研發(fā)的大型飛機 C919 預計2025年將提供發(fā)動機 年服役。

　　因此，我國高溫合金開發(fā)企業(yè)短期內(nèi)進入民航發(fā)動機領域的阻力較大。在軍用航空發(fā)動機領域，由于軍事產(chǎn)品的特殊性，外國企業(yè)進入國內(nèi)軍事產(chǎn)品市場存在自然障礙。此外，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國高溫合金擁有多個基礎品牌，國外高溫合金企業(yè)難以進入我國軍事市場。

　　目前，軍事領域高溫合金的應用方向主要是軍用飛機航空發(fā)動機、船舶燃氣輪機和巡航導彈航空發(fā)動機。軍用高溫合金市場空間的初步計算。

　　雖然與國外先進水平仍存在差距，但從近年來的公共信息來看，我國高溫合金及其產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)單位取得了巨大進展。目前的技術能力和生產(chǎn)水平基本上可以支持先進航空發(fā)動機、燃氣輪機等產(chǎn)品型號的發(fā)展。

　　? 國內(nèi)軍用高溫合金母合金的主要供應商，上游母合金材料主要包括撫順特鋼、鋼鐵研究高鈉、航空材料研究所、中國科學院金屬研究所及其控股企業(yè)、新興民營企業(yè)圖南股份。精密鑄造企業(yè)主要有高鈉、航空材料研究所、中航精密鑄造、圖南股份、中科三耐、江蘇永漢等新興企業(yè)。鍛件制造商主要包括陜西宏遠、貴州安達、中國鋁業(yè)西南鋁業(yè)、萬航模鍛、無錫、貴州航空科技等新興企業(yè)。

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