在世界先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石”。除此之外，高溫合金在電力、運(yùn)輸、石油化工行業(yè)也占有重要的地位。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。 

高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國(guó)高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個(gè)階段[1]：

第一個(gè)階段：從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段

本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

第二個(gè)階段：從20世紀(jì)70年代中至90年代中期，是我國(guó)高溫合金的提高階段。

本階段主要試制歐美型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。

第三階段：從20世界90年代中至今，是我國(guó)高溫合金的全新發(fā)展階段。

本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新合金。

目前，我國(guó)的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院， 北京航空材料研究院， 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所， 北京科技大學(xué)， 東北大學(xué)， 西北工業(yè)大學(xué)等， 主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。

高溫合金由于其優(yōu)異的耐高溫性能，廣泛的應(yīng)用于航空工業(yè)，電力行業(yè)，石油化工行業(yè)，運(yùn)輸行業(yè)和燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)。

1 在航空航天上的應(yīng)用

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%-60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件[2]。

燃燒室

燃燒室是動(dòng)力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。因?yàn)槠溆嗟目臻g有壓縮空氣流動(dòng)，所以燃燒筒合金材料的承受溫度一般在800~900℃以上，局部達(dá)1100℃。因此，燃燒筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能，良好的冷熱疲勞性能。

燃燒室使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主。例如第三代戰(zhàn)斗機(jī)F100發(fā)動(dòng)機(jī)選用Haynes 188鈷基高溫合金，F(xiàn)110，F(xiàn)404和F414發(fā)動(dòng)機(jī)則選用Hastelloy X 鎳基高溫合金。但是隨著飛機(jī)推重比的提高，對(duì)燃燒筒材料提出了新的要求。第四代戰(zhàn)機(jī)燃燒筒主要是鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱脹涂層，并且采用新的燃燒室結(jié)構(gòu)，如F119和F135采用了浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu)，而F136發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Lamilloy結(jié)構(gòu)。到了第五代戰(zhàn)機(jī)，多使用Lamilloy結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐高溫1482℃陶瓷復(fù)合材料和熱脹涂層。因此，為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)新的推重比的要求，全新材料基體和制備工藝的高溫合金急需研發(fā)出來[3]。

導(dǎo)向葉片

導(dǎo)向葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，會(huì)使導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強(qiáng)度及良好的熱疲勞性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。

鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。美國(guó)Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作為導(dǎo)向葉片的材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金[1]。

渦輪盤

渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此對(duì)渦輪盤材料要求有：合金應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度；良好的冷熱和抗機(jī)械疲勞性能；線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。

粉末高溫合金是現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的必選材料。1965年發(fā)展了高純預(yù)合金粉末技術(shù)。美國(guó)P&WA（Pratt&Whitney Aircraft）公司首先開創(chuàng)了粉末高溫合金盤件用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先河。1972年IN100粉末高溫合金渦輪盤用于F100發(fā)動(dòng)機(jī)上，開啟了粉末高溫合金的實(shí)際應(yīng)用階段。

我國(guó)的粉末高溫合金的研究起步于20世紀(jì)70年代后期，在后續(xù)的發(fā)展過程中，根據(jù)國(guó)家型號(hào)需求，陸續(xù)開展了FGH95合金，F(xiàn)GH96合金，F(xiàn)GH97合金，F(xiàn)GH98合金和FGH91合金的研制。其中FGH95是目前強(qiáng)度最高的粉末高溫合金，最高使用溫度650℃，主要用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤擋板以及直升機(jī)用渦輪盤。

目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞典、中國(guó)、日本、意大利以及印度等國(guó)家均開展了研究工作，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家掌握了工業(yè)生產(chǎn)工藝，其中僅有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和英國(guó)能獨(dú)立研發(fā)粉末高溫合金并建立了自己的合金牌號(hào)[1-4]。

渦輪葉片

渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些，但是受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對(duì)渦輪葉片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蝕能力；高的抗蠕變和持久斷裂的能力；良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能以及良好的高溫和中溫綜合性能。

渦輪葉片用材料最初普遍采用變形高溫合金。隨著材料研制技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。美國(guó)從20世紀(jì)50年代后期開始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯(lián)在60年代中期應(yīng)用了鑄造渦輪葉片，英國(guó)于70年代初采用了鑄造渦輪葉片。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比，促使國(guó)內(nèi)外自70年代以來開始研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料。其中單晶高溫合金材料成為目前主流的渦輪盤材料。

單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料。20世紀(jì)80年代初期以來，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。80年代后期以來，以PWA1484、ReneN5為代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到大量使用，目前美國(guó)的第二代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應(yīng)用在軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。90年代后期以來，美國(guó)研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10。之后，GE、P&W以及NASA合作開發(fā)了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國(guó)和英國(guó)也分別研制單晶高溫合金，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。近年來，日本又相繼成功的研制了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。

我國(guó)的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世界80年代初率先開始研究的，并成功研制出我國(guó)第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6，并廣泛應(yīng)用已多種型號(hào)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。此外，我國(guó)的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的DD9與DD10、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33 、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD90；第四代單晶高溫合金是由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD22；第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。這些材料的目前僅限于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)。

隨著以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝，WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)需求持續(xù)增長(zhǎng)；隨著國(guó)產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20的列裝，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)也將進(jìn)入量產(chǎn)，這將直接驅(qū)動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金的快速發(fā)展。為了提升高溫合金材料技術(shù)，工信部在發(fā)布的《國(guó)家增彩制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》中明確要求突破高溫合金等材料技術(shù)。為了滿足我國(guó)航空發(fā)展對(duì)高溫合金材料的要求，我們要在過去工作的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行高水平、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展和研制工作，穩(wěn)定現(xiàn)有體系產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，研究和探索工作溫度超過1100℃以上的后繼新高溫材料，完善我國(guó)的高溫合金體系。

2 電力行業(yè)

電力行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)和先進(jìn)工業(yè)。電力工業(yè)包括水電、煤電、氣電、核電和新能源發(fā)電等方面。除水電外，無論是煤電還是氣電和核電的發(fā)展都需要有相應(yīng)的高溫結(jié)構(gòu)材料作為支撐，性能優(yōu)異的耐熱鋼和高溫合金材料成為電力工業(yè)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵[5]。

煤電領(lǐng)域

火電機(jī)組有相當(dāng)多的部分為超高壓。高壓蒸汽參數(shù)機(jī)組，而且隨著蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步提高，對(duì)高溫材料的要求越來越高。過熱器和再熱器是鍋爐中工作環(huán)境最為惡劣的部件，承受的壓力最大，溫度最高，因此要求材料具有良好的抗蠕變性能，同時(shí)還要滿足管子對(duì)蒸汽側(cè)的抗氧化性能和對(duì)煙氣側(cè)的抗腐蝕性能要求。目前，我國(guó)火電主鍋爐過熱器管材主要是鐵基高溫合金GH2948.

核電領(lǐng)域

核電是一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、可靠的能源。用核電替代部分化石燃料發(fā)電，不但可以將化石燃料保留下來長(zhǎng)期使用，還有利于環(huán)境保護(hù)和減少大量的燃料運(yùn)輸。核電站的核心是反應(yīng)堆，它是有堆芯、反射層、控制棒、堆容器和屏蔽層等組成。核工業(yè)用高溫合金主要指反應(yīng)堆用高溫合金。高溫合金主要用作壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管、元件格架和壓緊彈簧等，以及高溫氣冷堆和部分快堆的過熱器與再熱器傳熱管零部件。

壓水堆蒸汽發(fā)生器的傳熱管早期用18-8型不銹鋼。但是因?yàn)閵W氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，后被耐熱、耐蝕合金Inconel 600所代替。此后發(fā)展了Inconel 690 和 Incoloy 800 合金。關(guān)于這三種合金的抗腐蝕性能的優(yōu)劣，目前看法尚不統(tǒng)一，所以都在應(yīng)用，法國(guó)偏重與Inconel 690合金，德國(guó)多采用Incoloy 800 合金作傳熱管。我國(guó)泰山核電站的蒸發(fā)器傳熱管采用的是Incoloy 800合金，大亞灣核電站用的是Inconel 690合金。

高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器是螺旋管束型結(jié)構(gòu)，裝在預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器內(nèi)側(cè)。再熱器和過熱器的溫度較高，傳熱管采用Incoloy 800 合金。蒸汽發(fā)生器和過熱器的溫度較低（450-340℃），傳熱管多采用2.25Cr-1Mo鋼。

堆芯冷卻管道是用定位格架和上下管座按設(shè)定的排列方式組裝成燃料堆件或元件盒的。定位格架材料早起采用奧氏不銹鋼，目前主要采用鎳基高溫合金。

3 石油化工行業(yè)

開采石油和天然氣，特別是深井開采，需要使用鎳基高溫合金。因?yàn)樯罹鹿ぷ鳝h(huán)境惡劣，比如酸性環(huán)境，氯化物濃度高，有硫化氫氣體，氣體分壓大，井下溫度波動(dòng)在0-218℃范圍。因此，Inconel 718 合金在油氣開采鉆具上可用作注射閥、傳統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)閥、氣體升舉閥、雙制化學(xué)注射閥、安全閥等多種閥門，流體分流器采用Inconel 718C 鑄造合金制備。Incoloy 925可制作XLD假閥、XLI氣體升舉閥、XLO-B阻尼閥，水壓設(shè)備螺母等。Incoloy825可制作耐久打眼繩索、繩索管道、水壓控制管線、水壓設(shè)備套圈等。Incoloy 625可作水壓設(shè)備管線等。Inconel 600 可作安全隔板等[5]。

煙氣輪機(jī)是煉油廠催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)的核心機(jī)組。在生產(chǎn)過程中，約有4%-7%的原料油轉(zhuǎn)化為焦炭，在再生器內(nèi)燃燒，焦炭放出的熱量除部分用于加熱催化外，其余熱量加熱煙氣從再生器放出，這種從再生器放出的煙氣具有98-196kPa的壓力和約650-750℃的溫度，把大量高溫高壓煙氣，引入煙氣輪機(jī)，經(jīng)膨脹作功后轉(zhuǎn)化為軸功輸出，驅(qū)動(dòng)煉油廠空氣壓縮機(jī)或發(fā)電機(jī)組，以后回收這部分能量。

4 運(yùn)輸工業(yè)

目前，內(nèi)燃機(jī)車或汽車等民用運(yùn)輸工具使用的渦輪增加器選用的是細(xì)晶等軸晶高溫合金葉片。內(nèi)燃機(jī)機(jī)車主要是北車集團(tuán)生產(chǎn)。在戰(zhàn)車領(lǐng)域，目前世界上只有美國(guó)將燃?xì)廨啓C(jī)作為主戰(zhàn)坦克動(dòng)力，美國(guó)M1型系列坦克均裝配了小型燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力，效率高。啟動(dòng)快、馬力大[6]。

艦船動(dòng)力裝置使用大量高溫螺栓。由于在海上長(zhǎng)期工作，因此螺栓材料要經(jīng)受由海鹽成分加速的熱腐蝕。另外由于螺栓還承受很大的拉應(yīng)力，所以應(yīng)力腐蝕是螺栓失效的重要因素。因此結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼螺栓多數(shù)不能直接長(zhǎng)期用于艦船動(dòng)力裝置。而應(yīng)選用抗海洋氣氛腐蝕性能好、抗高溫腐蝕性能好、抗松弛性能好的高溫合金制作艦船動(dòng)力裝置用螺栓。可選的螺栓用高溫合金有： GH132 （ A286 ） 、GH145 （ Inconelx750） 、GH751 （ Inconel751 ） 、GH169、GH33A、GH80A （ Nimonic80A ） 、GH90 （ Nimonic90 ） 、MP35N、GH159 （ MP159 ） 、R26、GH105（ Nimonic105） 、GH242 等[6]。

5 燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)

燃?xì)廨啓C(jī)具有熱效率高、污染少、耗水少、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)組還能達(dá)到高達(dá)60%的熱效率，因而燃?xì)廨啓C(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。先進(jìn)的材料是燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的基礎(chǔ)和保證條件，特別是燃?xì)廨啓C(jī)熱端部位的高溫材料，沒有先進(jìn)的高溫材料就不可能設(shè)計(jì)和制造出先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)。高溫合金在燃?xì)廨啓C(jī)材料中占有極其重要的地位，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、過度導(dǎo)管、導(dǎo)向葉片、渦輪工作葉片以及渦輪盤等部件上都有著廣泛的應(yīng)用[8]。

燃?xì)廨啓C(jī)的研制技術(shù)一直被美國(guó)通用、日本三菱、德國(guó)西門子和法國(guó)阿爾斯通等跨國(guó)巨頭壟斷。而從國(guó)內(nèi)目前正在運(yùn)行的重型燃機(jī)看，我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造業(yè)目前還不具備燃機(jī)整機(jī)自主制造能力和熱端部件的維修和制造能力。國(guó)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)嚴(yán)格保密，嚴(yán)重制約我國(guó)重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展。我國(guó)生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)可分為兩類：一是引進(jìn)型，二是自主研發(fā)型。引進(jìn)型燃機(jī)熱端部件全部進(jìn)口，重型燃?xì)馊~片產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格為10 億元/噸，該部分成本占整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的25% ～ 30%。同時(shí)還會(huì)簽訂對(duì)應(yīng)服務(wù)合同，配件全部由原廠商提供。同時(shí)國(guó)外公司在出售維護(hù)燃機(jī)熱端部件的同時(shí)會(huì)要求簽署補(bǔ)充設(shè)備維護(hù)協(xié)議，保修期內(nèi)（ 一般為10 年） 的配件需全部采用原裝配件，該部分價(jià)值可能比設(shè)備本身還高。

圖就是工業(yè)輪機(jī)主要構(gòu)件的高溫合金的應(yīng)用[8]。

燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的成分。

燃?xì)廨啓C(jī)的重要用途除了發(fā)電機(jī)組，還可以作為艦船的動(dòng)力等。但是無論作為哪種用途，它使用的高溫合金含量都占很大的比重。

結(jié)語(yǔ)

隨著高溫合金工藝化的不斷成熟，高溫合金的應(yīng)用會(huì)越來越廣。在完善高溫合金體系的同時(shí)，我們也需要建立和完善我國(guó)航空用高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)。通過開展標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)新材料研制中的標(biāo)準(zhǔn)化，提高標(biāo)準(zhǔn)制修訂的先進(jìn)性和適用性，完善通用材料標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)制定材料配套標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地滿足我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和發(fā)展的需要。也只有依據(jù)完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，大力的發(fā)展新材料，改進(jìn)舊材料的性能，完善制備工藝，我們才能縮短與其他高溫合金領(lǐng)先國(guó)家如美國(guó)、日本、法國(guó)等的差距，提高我國(guó)在高溫合金領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，確保我國(guó)的航空和軍事領(lǐng)域的發(fā)展，提高我國(guó)在國(guó)際事務(wù)中的話語(yǔ)權(quán)。

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