習(xí)近平總書(shū)記在“十三五”規(guī)劃建議說(shuō)明中提出，要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域部署一批體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目，目前該進(jìn)程有望加快推進(jìn)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)20年，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)需求將超2萬(wàn)億元，高溫合金等關(guān)鍵核心材料需求規(guī)模有望達(dá)千億級(jí)。

 

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)集中了工業(yè)制造和信息行業(yè)的高精尖技術(shù)，最能體現(xiàn)一國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平和國(guó)防實(shí)力，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”。當(dāng)前全球僅有英、美、俄等少數(shù)國(guó)家可獨(dú)立研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我國(guó)處于高度依賴進(jìn)口狀態(tài)。2015年政府工作報(bào)告首次寫(xiě)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，提出要實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大項(xiàng)目，加大國(guó)防科研和高新技術(shù)武器裝備建設(shè)力度。國(guó)務(wù)院出臺(tái)的“中國(guó)制造2025”計(jì)劃，提出十大重點(diǎn)工程，其中排名第三即為航空航天裝備。計(jì)劃要求突破高推重比、先進(jìn)渦槳（軸）發(fā)動(dòng)機(jī)及大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)自主發(fā)展工業(yè)體系。作為一個(gè)跨度十年的規(guī)劃，被列入重點(diǎn)突破工程的項(xiàng)目，將獲得后續(xù)系列政策扶持。

 

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的快速推進(jìn)和下游需求增長(zhǎng)，為高溫合金材料帶來(lái)巨大需求。據(jù)券商研報(bào)介紹，高溫合金占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的40%至60%，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，70%以上的貢獻(xiàn)來(lái)自材料技術(shù)。目前來(lái)看，全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過(guò)50家，主要集中在美、英、法、德、俄、日等國(guó)，整個(gè)行業(yè)具有較為明顯的寡頭特征。

 

    為提升高溫合金材料技術(shù)，我國(guó)出臺(tái)了系列扶持政策，2010年國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)也授予了我國(guó)高溫合金之父師昌緒院士。另外，工信部發(fā)布的2015-2016年增材制造發(fā)展計(jì)劃，明確提出要求突破高溫合金等材料技術(shù)。

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)
 

    公司方面，撫順特鋼高溫合金鋼規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯，變形高溫合金系列產(chǎn)品，在航空航天領(lǐng)域市場(chǎng)上占到 80%以上的份額。高溫合金現(xiàn)有產(chǎn)能為5000噸，目標(biāo)產(chǎn)能為2萬(wàn)噸。同時(shí)，公司生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼用于飛機(jī)起落架，是國(guó)內(nèi)唯一生產(chǎn)廠商。鋼研高納主要從事高溫合金材料研制，年產(chǎn)能近2500噸，60%以上產(chǎn)品面向航空航天領(lǐng)域客戶，在粉末高溫合金、鑄造和變形高溫合金等細(xì)分領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力較強(qiáng)。公司已具備航空、航天渦輪轉(zhuǎn)子等主要核心鑄件生產(chǎn)能力。另外公司表示，旗下高溫合金產(chǎn)品可滿足C919需求，目前C919已累計(jì)獲得訂單514架，隨著后期陸續(xù)交付，將有效提升高溫合金需求。

 

 

    高溫合金分為三類材料：760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強(qiáng)度800MPa。或者說(shuō)是指在760--1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的高溫金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)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，已成為軍民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料。

 

    按照現(xiàn)有的理論，760℃高溫材料按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型、沉淀強(qiáng)化型、氧化物彌散強(qiáng)化型和纖維強(qiáng)化型等。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤(pán)、高壓壓氣機(jī)盤(pán)和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備以及煤的轉(zhuǎn)化等能源轉(zhuǎn)換裝置。

 

 

 

    變形高溫合金是指可以進(jìn)行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)、韌性指標(biāo)，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強(qiáng)化型合金和時(shí)效強(qiáng)化型合金。GH后第一位數(shù)字表示分類號(hào)即1、固溶強(qiáng)化型鐵基合金 2、時(shí)效硬化型鐵基合金 3、固溶強(qiáng)化型鎳基合金 4、鈷基合金 GH后，二，三，四位數(shù)字表示順序號(hào)。

 

    1、固溶強(qiáng)化型合金

 

    使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達(dá)1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強(qiáng)度為850MPa、屈服強(qiáng)度為350MPa；1000℃拉伸強(qiáng)度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時(shí)、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、機(jī)匣等部件。

 

    2、時(shí)效強(qiáng)化型合金

 

    使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦輪盤(pán)的合金工作溫度為-253～700℃，要求具有良好的高低溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強(qiáng)度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時(shí)。

 

    變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。[1]

 

 

    鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點(diǎn)是：

 

    1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計(jì)可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對(duì)于鎳基高溫合金，可通過(guò)調(diào)整成分使γ‘含量達(dá)60%或更高，從而在高達(dá)合金熔點(diǎn)85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。

 

    2.具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、制造出近終形或無(wú)余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。

 

    根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

 

    第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時(shí)。已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動(dòng)機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。

 

    第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時(shí)的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。

 

    第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時(shí)。這是國(guó)內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)渦輪葉片。

 

    隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。

 

 

    采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無(wú)宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強(qiáng)度和疲勞性能有較大的提高。

 

    FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強(qiáng)度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時(shí)，是當(dāng)前在650℃工作條件下強(qiáng)度水平最高的一種盤(pán)件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應(yīng)力水平較高的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

 

 

    是采用獨(dú)特的機(jī)械合金化（MA）工藝，超細(xì)的（小于50nm）在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強(qiáng)度在接近合金本身熔點(diǎn)的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。

 

 

    MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯。

 

    MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1250℃并保持相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、耐中堿玻璃腐蝕。現(xiàn)已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向器蓖齒環(huán)和導(dǎo)向葉片。

 

    MA6000合金在1100℃拉伸強(qiáng)度為222MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；1100℃，1000小時(shí)持久強(qiáng)度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

 

 

    金屬間化合物高溫材料是近期研究開(kāi)發(fā)的一類有重要應(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來(lái)，對(duì)金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計(jì)、工藝流程的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強(qiáng)化、力學(xué)性能以及應(yīng)用研究方面取得了令人矚目的成就。

 

    Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強(qiáng)度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，可以使結(jié)構(gòu)件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫（小于600℃）有較高強(qiáng)度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。

 

 

    在民用工業(yè)的很多領(lǐng)域，服役的構(gòu)件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場(chǎng)需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。

 

    1、高溫合金母合金系列

 

    2、抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件

 

    3、高強(qiáng)度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件

 

    4、耐玻璃腐蝕系列產(chǎn)品

 

    5、環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列

 

    6、特種精密鑄造零件（葉片、增壓渦輪、渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、儀表接頭）

 

    7、玻棉生產(chǎn)用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌

 

    9、閥門(mén)座圈

 

    10、鑄造“U”形電阻帶

 

    11、離心鑄管系列

 

    12、納米材料系列產(chǎn)品

 

    13、輕比重高溫結(jié)構(gòu)材料

 

    14、功能材料（膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列）

 

    15、生物醫(yī)學(xué)材料系列產(chǎn)品

 

    16、電子工程用靶材系列產(chǎn)品

 

    17、動(dòng)力裝置噴嘴系列產(chǎn)品

 

    18、司太立合金耐磨片

 

    19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

 

 

    高溫合金發(fā)展的趨勢(shì)是進(jìn)一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長(zhǎng)合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進(jìn)入實(shí)用階段，定向結(jié)晶葉片的綜合性能將得到改進(jìn)。

 

    此外，有可能采用激冷態(tài)合金粉末制造多層擴(kuò)散連接的空心葉片，從而適應(yīng)提高燃?xì)鉁囟鹊男枰?。就?dǎo)向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強(qiáng)化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護(hù)涂層材料和工藝也將獲得進(jìn)一步發(fā)展。


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責(zé)任編輯：王元

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