高溫合金，也叫超合金念逞，這個(gè)詞的首次使用可以追溯到上世紀(jì)40年代困食，用來描述一類用于渦輪增壓器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的合金。高溫合金有鐵基翎承、鎳基和鈷基硕盹，用于高溫服役的需求，至今仍處在開發(fā)進(jìn)行的狀態(tài)叨咖。

高溫合金的歷史

鐵基高溫合金是最弱的瘩例，很少在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里使用；鈷基高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里屬于選擇性使用甸各；而鎳基高溫合金由于其出色的綜合性能被廣泛使用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)垛贤。

下圖顯示的是高溫合金的發(fā)展過程，以及耐高溫能力的演變過程趣倾。

高溫合金技術(shù)交流平臺(tái)

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大會(huì)熱門話題：

發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能要求設(shè)計(jì)大量采用整體結(jié)構(gòu)坊夫、輕量化結(jié)構(gòu)砖第、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料、粉末冶金环凿、金屬間化合物等新型材料梧兼，而這些零組件需要依靠特種加工及成形技術(shù)。

· 熱障涂層

· 浮壁式火焰筒制造

· 快速原型/零件制造

· 特種加工技術(shù)

· 特種焊接工藝

· 整體葉片葉輪加工技術(shù)

· 整體葉環(huán)

· 整體轉(zhuǎn)子

· TIAI 系合金

· 一體化成型智听、增材制造

陶瓷基復(fù)合材料議題

陶瓷基復(fù)合材料以是目前航空領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的先進(jìn)復(fù)合材料羽杰。是在極端環(huán)境下的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱段部件的重要材料。

· 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件研發(fā)應(yīng)用及展望

· 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

· 高溫長壽命陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展

· 納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

· 發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化

· 先進(jìn)冷卻技術(shù)突破

· 降低結(jié)構(gòu)重量提升燃油經(jīng)濟(jì)性

·CMC 技術(shù)工藝開發(fā)

· 抗極端環(huán)境性能

· 力學(xué)性能測試與分析

· 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

高溫合金簡介

高溫合金成分較為復(fù)雜到推，有的合金可以達(dá)到10種以上的元素考赛。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用主要是鍛件和鑄件，用于航發(fā)的結(jié)構(gòu)件莉测、盤和葉片颜骤。合金的開發(fā)和加工工藝的控制就是為了獲得優(yōu)異的高溫性能，主要是通過合金的強(qiáng)化機(jī)理實(shí)現(xiàn)的捣卤，包括固溶強(qiáng)化忍抽、γ’析出強(qiáng)化、機(jī)械合金化等腌零。

雖然高溫合金可以是鐵基或者鈷基梯找，但是這兩種合金的高溫性能和抗氧化抗腐蝕性能無法達(dá)到最佳平衡唆阿，因此鎳基高溫合金的使用范圍更廣益涧。一方面，鎳元素有著比較高的溶解度驯鳖，去容納更多其它元素闲询，形成面心結(jié)構(gòu)；其強(qiáng)化相γ’能夠提供優(yōu)異的高溫強(qiáng)度浅辙。另一方面扭弧，元素鉻和鋁的添加，能夠形成非常穩(wěn)定的而且具有保護(hù)作用的Cr2O3和Al2O3记舆，產(chǎn)生非常好的環(huán)境耐受性鸽捻，比如抗氧化、抗腐蝕性能。

高溫合金的成分

我們以渦輪葉片用鈷基高溫合金中含有的合金化元素及其作用為例：

我們再來看看盤類高溫合金的化學(xué)成分對(duì)比：

此處御蒲，以羅羅公司為例：

下一代合金：PANACEA衣赶，使用溫度1400F+；

超高溫合金：RR1000厚满，粉末合金府瞄，1300~1400F；

高溫合金：U720碘箍，變形合金遵馆、鑄造合金；Waspaloy丰榴，變形合金货邓、鑄造合金；1200~1300F

中溫合金：In718 (~20%Fe)多艇、In901（~40%Fe）逻恐，800~1200F。

盤類合金的演變峻黍，隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展复隆、粉末盤技術(shù)的成熟，使得盤類合金的能力得以很大提高姆涩，廣泛使用起來挽拂。上世紀(jì)80年代是第一代的粉末合金盤，Rene95骨饿，名義使用溫度1200F亏栈。到了90年代就開始使用第二代的粉末盤，名義使用溫度1300F宏赘。進(jìn)入21世紀(jì)绒北，就已經(jīng)發(fā)展到第三代粉末盤，使用溫度1350F察署。2010年發(fā)展到了第4代闷游，1450F+；2020年已經(jīng)是第5代粉末合金了贴汪，使用溫度1550F+脐往。可見扳埂，幾乎每10年粉末盤合金就會(huì)升級(jí)一代业簿，使用溫度提高100F左右。

從這些合金的成分分析阳懂，能夠看出來梅尤，粉末合金的發(fā)展趨勢是硬度越來越高柜思，所使用的合金元素也是越來越貴，Co巷燥、W等含量逐代增加酝蜒。

盤類合金分析完以后，是葉片類高溫合金矾湃。從發(fā)展歷程來看亡脑，最早期的是等軸合金，然后開始進(jìn)入單晶時(shí)代邀跃，從第1代單晶開始霉咨，發(fā)展了4代；期間還有定向晶拍屑。第4代之后還發(fā)展了一些特殊的合金途戒，如低錸高溫合金、護(hù)罩用合金僵驰、葉型用合金喷斋。

此時(shí)，常用的鎳基蒜茴、鈷基高溫合金已經(jīng)達(dá)到40種之多星爪，不僅用于盤類結(jié)構(gòu)件，還有用于葉片合金粉私，以及一些特殊應(yīng)用顽腾，如螺栓用高溫合金。

補(bǔ)充一下：同樣是高溫合金诺核，葉片講的是蠕變性能抄肖、低周疲勞和抗腐蝕性能，所以成分非常關(guān)鍵窖杀；而盤類高溫合金講的是疲勞漓摩、裂紋擴(kuò)展和蠕變，所以晶粒度非常關(guān)鍵入客。

René合金的名字由來

René合金的名字來源于41號(hào)合金的研究管毙。41號(hào)合金研究出來以后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其焊接性能非常差痊项，就一度被停用了锅风。隨后經(jīng)過大量的努力酥诽，41號(hào)合金被成功拯救鞍泉，并重新投入生產(chǎn)。René在法語中意思是“重生”肮帐，于是這個(gè)合金就成了現(xiàn)在的René 41咖驮。

那么René 后面的數(shù)字是什么意思呢边器？這個(gè)要從 René 80 合金說起。René合金的命名早期是跟年份有關(guān)托修。這個(gè)合金原名 René 69忘巧，是1969年開始廣泛用于渦輪葉片的高溫合金。但是由于每次開會(huì)的時(shí)候睦刃，人們聽到René 69的名字的時(shí)候都會(huì)發(fā)出“爽朗而略顯尷尬”的笑聲砚嘴，所以，這個(gè)合金就成了第一個(gè)用γ’強(qiáng)化元素的含量來命名的合金涩拙，3Al+5Ti = 8际长，再乘以10，所以新的名字就是 René 80 了兴泥。

再比如René 125工育，是因?yàn)?2.5*10。12.5怎么來的搓彻？看看γ’形成元素如绸，參見前文 “合金化元素及其作用”表格，將它們的含量求和可知旭贬。

再介紹一個(gè)合金René N4怔接。這是通用電氣公司第一款單晶高溫合金。N的由來是因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目是美國海軍（Navy）提供的基金支持稀轨，而4是這個(gè)項(xiàng)目中合金表里排名第4個(gè)合金蜕提。主要的是，作為第一款合金靶端，通用電氣公司非常謹(jǐn)慎谎势，大量工作用來表征合金的性能，實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)時(shí)的缺陷容忍度杨名、疲勞性能脏榆、物理性能等。René N4合金與項(xiàng)目中的N4合金相比台谍，成分后來有一些輕微變化须喂。而現(xiàn)在，René N4已經(jīng)被其它合金完全取代趁蕊，退出了歷史舞臺(tái)坞生。

這里就順便提一下那些同樣命運(yùn)悲慘的合金。已經(jīng)退出使用的有René 100因其糟糕的抗熱腐蝕能力掷伙，且無法熱處理是己；René 120容易產(chǎn)生裂紋。還有一些是因?yàn)閮r(jià)格昂貴任柜，鑄造性或者焊接性較差卒废，或者無法熱處理沛厨，或者抗氧化、抗腐蝕能力差的原因摔认。這些都是前人所走的彎路逆皮，值得我們學(xué)習(xí)思考。

新需求帶來的挑戰(zhàn)

一款成功的合金從需求開始到合金投入使用参袱，至少需要10年电谣，再加上最終產(chǎn)品比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的測試，所需要的時(shí)間就更久了抹蚀。

如何更快辰企、更便宜的開發(fā)合金就成了眾多材料科學(xué)家夢寐以求的目標(biāo)。當(dāng)前况鸣，已經(jīng)有一些材料設(shè)計(jì)工具可供使用牢贸。從需求產(chǎn)生到最終方案，都可以通過軟件進(jìn)行迭代加速研制的進(jìn)度镐捧。需求產(chǎn)生以后潜索，第一步通常是定義材料和加工工藝，第二步是計(jì)算出工藝參數(shù)和對(duì)應(yīng)的微觀組織懂酱，第三步是根據(jù)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算性能竹习，第四步測試零部件的性能、核算成本列牺，第五步進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化整陌。從這個(gè)過程可以看出，材料數(shù)據(jù)瞎领、性能模型泌辫、微觀組織模型、加工工藝模型九默、可制造性與成本等設(shè)計(jì)工具所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才是設(shè)計(jì)者的知識(shí)庫震放，才能加快材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

當(dāng)前驼修，高溫合金的高應(yīng)變率鍛造工藝殿遂，熱處理制度，焊接工藝如摩擦焊乙各、堆焊墨礁，涂層技術(shù)都是研究的重點(diǎn)和挑戰(zhàn)所在。

總結(jié)

高溫合金因其在高溫下的高強(qiáng)度耳峦，具有優(yōu)異的抗氧化恩静、抗腐蝕能力而被廣泛使用。其所需的機(jī)械性能可以通過不同的化學(xué)成分妇萄、不同的加工工藝來獲得蜕企。

高溫合金的成分體系已經(jīng)成熟。高溫合金的未來冠句，通過改變化學(xué)成分獲得的收益已經(jīng)越來越低轻掩，其改善必須來自加工過程。通過加工模型的建立懦底、加工工藝的控制和改善從而獲得量身定制的結(jié)構(gòu)和性能唇牧。