摘要：文章介紹了航天用高溫合金的分類、一般強化原理及熱處理方法。對航空航天用高溫合金的基本性能、成分發展的主要特點以及主要強化元素的作用進行了歸納和總結，對航天用高溫合金的發展方向和應用前景作出了展望。

關鍵詞：高溫合金；單晶；強化元素；稀土

高溫合金的發展歷史就是航空航天發動機的進步歷史。噴氣發動機的出現使高溫合金的研制進入一個全新的階段，噴氣式發動機熱端部件特別是渦輪葉片對材料的耐高溫性能與機械性能提出了新的、更高的要求。英、美等發達國家相繼開發了很多合金，如Mar-M合金系列等。

高溫合金的組織結構為獨一的奧氏體，在服役溫度下具有優異的組織可靠性。它的合金程度很高，因此，在英、美等發達國家被叫作超合金[1]。

1 單晶高溫合金的分類、強化原理與熱處理方法

眾所周知，單晶合金最重要的優點是晶界的消除，這就導致晶界的強化元素急劇減少，合金的初熔溫度卻迅速提升，同時使合金固強化處理的溫度范圍增加。1980年以后，單晶合金的研制得到了迅猛發展，人們陸續研制出了第一批單晶，如CMSX-2型；第二批單晶高溫，如含3 wt.%Re的CMSX-4型，它們的使用溫度比第一批單晶高出30 ℃以上；第三代單晶，例如含約6 wt.%Re的CMSX-10型，它的使用溫度比第一批高出60 ℃以上。

單晶高溫合金含多達十幾種元素。通常所說的合金強化就是指把多種合金元素添加到基體中，出現一些強化效應，如固溶強化效應、晶界強化效應等。實質上高溫合金的發展演變歷程正是高溫合金與諸多強化理論相融合的歷程。高溫合金基本性能可根據其組織結構來決定，因此確定合金元素時，其熱處理工藝對合金的組織的影響就更加重要。主要的熱處理方法包括：加熱溫度變化法、保溫時間變化法以及冷卻速度變化法等多種特殊的熱處理技術。

2 合金成分發展的主要特點

單晶高溫合金的發展經歷了以下幾個階段：第一批無Re單晶、第二批單晶（約3 wt.%的Re元素）、第三批單晶（約6 wt.%的Re元素）。單晶高溫合金的化學成分的發展有下變化[2]。

2.1 晶界強化元素的限量使用

在基體中加入了一些強化晶界的合金元素，例如C，B，導致合金的初熔溫度逐漸地下降。因為單晶合金并不存在晶界，所以在第一代鎳基單晶高溫合金中并不含有這些元素，但是在第三代單晶高溫合金中又添加了這些元素。

2.2 Cr元素含量降低

在第一批單晶當中，元素Cr的加入量占10 wt.%左右，但是，到了第二批的單晶里卻減小至6 wt.%左右，再到后來的第三批合金中，Cr含量一般低于5 wt.%，例如，在CMSX-10單晶合金中，Cr元素的含量約占3 wt.%。

2.3 難熔金屬總量不斷增加

添加難熔元素是為了增強單晶合金的高溫機械強度，如Re，W，Ta，Mo等元素。

3 主要強化元素的作用

單晶合金中含有的常見元素有Ni，Al，Cr，W，Re，Ru，Hf，Mo和Co等。這幾種強化元素在單晶合金中十分重要，如固溶強化作用、晶界強化作用和沉淀強化作用等，下面將對這些元素在合金中的作用作簡要介紹[3]。

3.1 Al

Al是最主要的g?相形成元素，同時也是最重要的抗高溫氧化元素。在高溫下Al能與空氣中的O發生反應，生成具有良好保護性能的Al2O3膜，顯著提升了該合金的抗高溫氧化和腐蝕性能。

3.2 Cr

Cr在單晶合金中主要以固溶強化的方式分布于基材中，有一小部分與C反應生成了碳化物。眾所周知，Cr在高溫合金中的最主要作用是抗高溫氧化與熱腐蝕，如果使合金具有極佳的抗熱腐蝕性能，那么Cr的含量必須在15%以上。

3.3 Co

Co在鎳基合金中主要存在于g相，它可以減小基體層錯能，有效地提升合金強度和抗蠕變性能。

3.4 W和Mo

W和Mo是常見的難熔與強化元素，它們能夠增強原子之間的結合強度，提高擴散能，使合金中多種元素的擴散速度逐漸降低。

3.5 Re

單晶高溫合金中添加Re能夠顯著增強合金的耐溫能力。例如，添加了第二代單晶合金，其服役的溫度比無Re的第一批單晶提高了約30 ℃，而第三批單晶的服役溫度又比第一批單晶高出60 ℃以上。

4 發展方向和推廣前景

在21世紀初，人們已經研制出高Re基礎上加入Ru，Ir等元素的第四代和第五代單晶合金。在單晶合金中加入少量的Re，如Ce，Y等能夠有效增加基材的抗氧化性，這是鎳基單晶合金將來發展和設計的新方向，具有極佳的推廣前景。

[參考文獻]

[1]黃乾堯，李漢康。高溫合金[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[2]ERICKSON G L.The development and APPlication of CMSX-10[C].Warrendale：Superalloys，1996.

[3]ZHANG J X，WANG J C，HARADA H，et al.The effect of lattice misfit on the dislocation motion in superalloys during high-temperature low-stress creep[J].Acta Materialia，2005（17）：4623-4633.