高溫合金的概念、原理和分類

高溫合金通常是指能在 600~1200°C的高溫下抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機械應力作用下長期工作的合金材料。

高溫合金強調的不是耐受溫度指標，耐受溫度比高溫合金高的材料有很多，比如難熔合金、陶瓷及碳碳復合材料等。高溫合金最根本的特性在于一定溫度下所具有的高強度。以普通的建筑用鋼材為例，它在室溫下強度很高，但在建筑失火燃燒時強度會急劇下降，從而導致建筑坍塌。高溫合金的好處是，在 600~1200°C的高溫下，它依然能保持極高的強度和硬度以承受較高的載荷。因此俄羅斯將其稱為熱強合金，而歐美稱之為超合金（superalloy）。

普通鋼材含有十多種化學元素，而高溫合金通常含有超過 30-40 種元素，高溫合金之所以能在高溫下保持較高的強度和硬度主要原因在于這些元素在組織中發揮著強化金屬性能的作用。

高溫合金的分類有多種：

1）按制造工藝分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金三類。

2）按合金的主要元素分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金三類。3）按強化方式分為固溶強化、時效強化、氧化物彌散強化和晶界強化等。

以工藝分類來看，變形高溫合金應用范圍最廣，占比達 70%，其次是鑄造高溫合金，占比 20%。以合金主要元素來看，鎳基高溫合金應用范圍最廣，占比達 80%，其次為鎳-鐵基，占比 14.3%，鈷基占比最少，占比 5.7%。

高溫合金發展歷程及概況

高溫合金最早誕生于 20 世紀初期的美國，被用作車站的防腐支架。從二戰開始，高溫合金的研制進入了高速發展時期，鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金紛紛研制成功，并大量應用。

目前鎳基高溫合金是現代航空發動機、航天器和火箭發動機以及艦船和工業燃氣輪機的關鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導向器葉片、渦輪盤、燃燒室等），也是核反應堆、化工設備、煤轉化技術等方面需要的重要高溫結構材料。

高溫合金的發展主要經歷了幾個階段：二十世紀 40 年代以前提出概念，40-50 年代實現在噴氣發動機的應用，50-60 年代在真空熔煉技術取得重大進展，60-70 年代集中在合金化方面，70 年代后主要在工藝研究方面，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化和陶瓷過濾等新工藝成為高溫合金發展的主要動力，其中定向凝固工藝制備的單晶合金尤為重要，在航空發動機渦輪葉片中應用尤為廣泛。

二十世紀 80 年代以來，國內外廣泛開展數值模擬研究，取得了重要進展，并在此基礎上開展了顯微組織及冶金缺陷預測研究。

經過近一個世紀的發展，國外已擁有數十家實力強勁的高溫合金研制企業，承溫能力提升到 1140°C，已近金屬材料使用溫度極限。

鎳基高溫合金

在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有特殊重要的地位，與鐵基和鈷基合金相比，鎳基合金具有更好的高溫性能、良好的抗氧化和抗腐蝕性能。鎳基高溫合金是高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金。

其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩定性；二是可以形成共格有序的 A3B 型金屬間化合物[Ni3（Al,Ti）]相作為強化相，使合金得到有效強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基高溫合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。可以說，鎳基高溫合金的發展決定了航空渦輪發動機的發展，也決定了航空工業的發展。采用定向凝固技術制備出的鎳基單晶合金，其使用溫度已接近合金熔點的 90%，成為當代先進航空發動機熱端部件不可替代的重要結構材料。

鎳基高溫合金含有十多種元素，添加合金元素對高溫合金的性能起關鍵的作用。以鑄造鎳基高溫合金為例，鑄造鎳基高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ‘相進行強化，γ’相數量較多，有的合金高達 60%;加入鈷元素能提高γ‘相溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對晶界產生強化作用的碳化物；鋁、鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低γ’相的溶解度和高溫強度，因此鉻含量應低些；鉿改善合金中溫塑性和強度；為了強化晶界，添加適量的硼、鋯等元素。研究表明，GMR235鑄態合金的含碳量為 0.18%時，高溫持久壽命和抗拉強度最大，且具有較好的塑性，添加硼和鋯的合金持久性明顯改善，合金的枝晶間距減少，碳化物的析出量減少且碳化物顆粒細化，從而改善各方面性能。

鎳基高溫合金是 20 世紀 30 年代后期開始研制的。英國于 1941 年首先生產出鎳基高溫合金 Nimonic75;為了提高蠕變性又添加了鋁，研制出 Nimonic80。美國于40 年代中期，蘇聯于 40 年代后期，中國于 50 年代中期也研制出鎳基合金。

鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50 年代初，真空熔煉技術的發展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50 年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫溫度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60 年代中期發展出性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需求，60 年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從 40 年代初到 70 年代末大約 40 年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700°C提高到 1100°C，平均每年提高 10°C 左右。

鎳基高溫合金按照制造工藝，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

變形高溫合金是高溫合金中應用最廣的一類，占比達到 70%。變形高溫合金主要采用常規的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。我國鎳基變形高溫合金以拼音字母 GH 加序號表示，如 GH4169、GH141 等。

變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，因而需要采取鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套墩餅等新工藝來加工，也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來提高塑性。

鑄造高溫合金

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，熱加工成形越來越困難，必須采用鑄造工藝進行生產。另外，采用冷卻技術的空心葉片的內部復雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產，因此鎳基鑄造高溫合金在實際生產應用中不可缺少。鑄造高溫合金應用也較為廣泛，占比約 20%。國內的鑄造高溫合金以“K”加序號表示，如 K1、K2 等。

粉末冶金高溫合金

隨著耐熱合金工作溫度越來越高，合金中的強化元素也越來越多，成分也越復雜，導致一些合金只能在鑄態上使用，不能夠熱加工變形。并且合金元素的增多使鎳基合金凝固后成分偏析嚴重，造成組織和性能的不均勻。采用粉末冶金工藝生產高溫合金就能解決上述問題。因為粉末顆粒小，制粉時冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產更高強度的合金產生了新的途徑。目前國內粉末高溫合金已應用于先進型號發動機上的渦輪盤、壓氣機盤等重要部件上。

航發集團航材院生產的粉末渦輪盤及空心單晶葉片

高溫合金的應用

渦輪噴氣式航空發動機及燃氣輪機

渦輪噴氣式航空發動機是各類軍機、民航客機及巡航導彈的動力裝置。燃氣輪機是現代大型軍艦的首選動力裝臵。在軍艦動力方案選擇上，燃氣輪機的主要競爭對手是柴油機和蒸汽輪機，但是由于燃氣輪機功率密度大、啟動速度快、噪聲低的先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合，因此燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的首要選擇。燃氣輪機和航空渦輪噴氣發動機工作原理和核心機的結構組成基本相同，因此本節一并討論。

高溫合金在航空發動機中的應用情況

航空發動機高溫合金結構件

火箭發動機

火箭發動機是運載火箭和彈道導彈的動力裝臵，火箭發動機根據推進劑形態分為固體火箭發動機和液體火箭發動機。

固體火箭發動機中高溫合金的使用量較少。固體火箭發動機結構相對簡單，主要由藥柱、燃燒室（殼體）、噴管組件和點火裝置等四部分組成。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受 2500~3500°C的高溫，壓力通常為 1~20MPa，一般采用高強度合金鋼、鈦合金或復合材料制造，并在藥柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。

截至目前，固體火箭發動機殼體材料大體經歷了四代發展過程，第一代為金屬材料；第二代為玻璃纖維復合材料；第三代為有機芳綸復合材料；第四代為高強中模碳纖維復合材料。

由于固體火箭發動機結構簡單，內部沒有轉動部件，且通常工作時間較短，因此盡管溫度超高，但結構件承受的載荷較低，因此固體火箭發動機對兼具高溫、高載荷、長時工作特性的高溫合金需求較少。

固體火箭發動機和液體火箭發動機

我國高溫合金的發展

我國高溫合金的發展可分為三個階段

目前世界上僅有 4 個國家形成自己的高溫合金體系，分別為美國、英國、俄羅斯、中國。自 1956 年第一爐高溫合金 GH3030 試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產和應用已經歷了 50 多年的發展歷程。回顧 50 多年的歷史，我國的高溫合金從無到有，從仿制到自主創新，合金的耐溫性能從低到高，先進工藝得到了應用，新型材料得以開發，生產工藝不斷改進且產品質量不斷提高，并建立和完善了我國的高溫合金體系，使我國航空、航天工業生產和發展所需的高溫合金材料立足于國內，也為其它工業部門的發展提供了需要的高溫材料。

歷經 50 多年的發展，我國已形成了生產裝備比較先進、具有一定規模的生產基地。其中有變形高溫合金生產廠：東北特殊鋼集團撫順特殊鋼公司，寶鋼股份公司特鋼事業部和攀鋼集團長城特殊鋼公司；有鍛件的熱加工廠：西南鋁業公司，第二重型機械集團萬航模鍛廠，中航工業宏遠航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司（均為中航重機子公司）；有生產精密鑄件的中國航發集團各航空發動機公司的精密鑄造廠；也形成了一批研究水平較高、研究手段較齊備的科研單位：鋼研高鈉（原鋼鐵研究總院高溫合金研究所）、航發集團北京航空材料研究院（621 所），中國科學院金屬研究所，北京科技大學、東北大學、西北工業大學等。

高溫合金市場容量

全球高溫合金市場概況

2012 年，全球高溫合金消費量為 28 萬噸，占鋼鐵總消費量的 0.02%，市場規模達100 億美元。高溫合金的價格遠高于其他鋼鐵品種，均價為 1.6 萬美元/噸，用于航空航天的高端產品價格可達 3.6 萬美元/噸，遠高于不銹鋼的 0.33 萬美元/噸，粗鋼的 0.07 萬美元/噸。

高溫合金被廣泛應用于各個領域，其中航空航天領域占比一半以上，達 55%。其次是電力領域，占比 20%。

全球范圍內能夠生產航空航天用高溫合金的企業不超過 50 家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發達國家一般將涉及航空航天應用領域的高溫合金產品作為戰略軍事物資，很少出口。

可以看出，美、德、法、日為世界上高溫合金的主要生產國。國內上鋼五廠（即寶鋼特鋼），撫順特鋼產量位于全球前 30 位。但整體看，國內產量較低，合計不到全球產量的十分之一。

國內高溫合金市場容量

2009 年，我國高溫合金材料年生產量在 1 萬噸左右，需求達 2 萬噸以上。到 2013年，這一市場供給并未發生太大變化，但需求已增長至 3 萬噸左右。截止 2016年，國內高溫合金的產量已達 2 萬噸左右。

2009 年我國航空航天、發電領域使用的高端和新型高溫合金市場需求量在 3000余噸，在其后的 5~10 年內，每年呈 15%以上的速度增長。以此推算，保守估計 2017年航空航天、發電領域的高端高溫合金市場需求已達 9000 噸以上。

國內軍用高溫合金市場容量測

國內高溫合金領域最為確定的剛性需求來自于軍機航空發動機、艦船燃氣輪機及巡航導彈航空發動機方向。

目前全球民航機隊中所使用的航空發動機基本被羅羅、GE、普惠（及其合資公司 CFMI、IAE）三大航發制造巨頭壟斷，其很少向我國的高溫合金研制企業采購高溫合金產品。而中航工業商發為我國自主研制的大飛機 C919 提供的發動機預計要2025 年服役。

因此短期內我國高溫合金研制企業進入民航發動機領域阻力較大。而在軍用航空發動機領域，由于軍品的特殊性，國外企業進入國內軍品市場存在天然壁壘。加之我國高溫合金經過多年發展，已擁有多種對標國外高溫合金的基礎牌號，國外高溫合金企業難以進入我國軍用市場。

目前軍工領域高溫合金的應用方向主要為軍機航空發動機、艦船燃氣輪機及巡航導彈航空發動機。我們對軍用高溫合金的市場空間進行初步測算。

我國是目前世界上僅有 4 個形成自己的高溫合金體系的國家之一

盡管與國外先進水平仍然存在差距，但從近年來的公開資料看，我國高溫合金及其制品的研制生產單位已取得了巨大進步，當前的技術能力和生產水平基本能夠支撐先進航空發動機、燃氣輪機等產品型號的發展。

國內軍工用高溫合金母合金的主要供應商，上游母合金材料主要有傳統優勢企業撫順特鋼、鋼研高鈉、航材院、中科院金屬所及其控股企業中科三耐以及新興的民營企業圖南股份等。精密鑄造企業主要為鋼研高鈉、航材院、中航精鑄，此外還有新興企業圖南股份、中科三耐、江蘇永瀚等。鍛件生產商主要有鋼研高鈉、中航重機旗下的陜西宏遠和貴州安大、中國鋁業旗下的西南鋁業、中國二重旗下的萬航模鍛以及新興企業無錫透平葉片、貴州航宇科技等。