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"。這段時(shí)間，小編將帶大家深度了解先進(jìn)高溫合金的制備工藝，分析測(cè)試以及應(yīng)用。

高溫合金簡(jiǎn)介

高溫合金，顧名思義就是能在較高溫度（900℃以上）環(huán)境內(nèi)使用，并在一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)時(shí)間服役的合金。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?；蛘哒f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[1]。

廣義上的高溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化或腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類合金，包括鑄造高溫合金、金屬間化合物等高溫金屬材料。狹義上的高溫合金是以鐵、鎳、鈷為基，能在大約600℃以上的高溫下抗氧化或腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類合金。高溫合金自誕生以來從原來的鐵、鎳、鈷為基，不斷發(fā)展和演變，以及引入新的加工工藝，從傳統(tǒng)的鑄造高溫合金和變形高溫合金，發(fā)展出粉末高溫合金、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金、金屬間化合物等新型高溫合金，從而大大擴(kuò)展了高溫合金的內(nèi)涵。

高溫合金大致可以分為以下幾類：

高溫合金在材料工業(yè)中主要是為航空航天產(chǎn)業(yè)服務(wù)。伴隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國已經(jīng)建立起自己的高溫合金體系，從而形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。高溫合金由于其優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等性能，已經(jīng)逐步應(yīng)用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業(yè)領(lǐng)域，從而大大擴(kuò)展了對(duì)高溫合金的需求。

高溫合金制備工藝

圖2 高溫合金的幾種成型方法的工藝路線

高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。

高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)不穩(wěn)定，同時(shí)機(jī)加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力等缺陷，為材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能帶來十分不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料極易產(chǎn)生成分偏析，這種偏析對(duì)鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的這些特點(diǎn)決定了它區(qū)別于普通金屬材料的加工工藝[1, 2]。

高溫合金的發(fā)展是合金理論與生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷改善和革新的過程，通過合金強(qiáng)化+工藝強(qiáng)化來結(jié)合不斷提高合金的材料性能。合金強(qiáng)化包括合金固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化劑晶界強(qiáng)化等；工藝強(qiáng)化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)等。

高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個(gè)過程。生產(chǎn)工藝對(duì)高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大，一項(xiàng)新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個(gè)飛躍，發(fā)展一批新型高溫合金，進(jìn)而推動(dòng)一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號(hào)的合金也可以改善工藝達(dá)到材料性能的提高。

高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應(yīng)+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯(lián)工藝，真空自耗熔煉采用了先進(jìn)熔煉控制方法等；通過定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術(shù)提高材料的高溫強(qiáng)度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度等。此外，氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中。

粉末冶金氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）高溫合金制備工藝

粉末冶金高溫合金是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種先進(jìn)髙溫合金制備工藝,由于用極細(xì)的金屬粉末作為原材料,經(jīng)過熱固結(jié)成型及后續(xù)熱加工處理得到的合金組織均勻,晶粒細(xì)小,無宏觀偏析現(xiàn)象,而且合金的高溫強(qiáng)度、蠕變性能及疲勞性能優(yōu)異,因此很快成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核工業(yè)的耐熱部件的材料[3]。

氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)高溫合金是一類粉末高溫合金,其突出特點(diǎn)是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強(qiáng)度。對(duì)于傳統(tǒng)高溫合金及粉末高溫合金來說,Y'析出相及碳(氮)化物強(qiáng)化是其主要的強(qiáng)化手段。但在高溫下,Y'析出相及碳(氮)化物發(fā)生粗化和溶解于基體而失去強(qiáng)化作用。

氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)高溫合金,是將細(xì)小的氧化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分散于高溫合金基體中,通過阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化效果的一類合金。

在已經(jīng)發(fā)展的高溫合金中，多采用沉淀強(qiáng)化來提高材料的強(qiáng)度，當(dāng)材料的服役溫度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，沉淀相就不可避免的發(fā)生聚集、長(zhǎng)大及溶解從而大大降低材料的高溫強(qiáng)度。于是，人們通過粉末冶金的途徑在合金基體中均勻加入在高溫狀態(tài)下具有高穩(wěn)定性的細(xì)小氧化物來提髙材料的高溫強(qiáng)度。但是，通過傳統(tǒng)的冶煉及冶金技術(shù)不可能將這種般細(xì)小氧化物（d＜50nm）均勻加入基體中，從而限制了這種氧化物彌散強(qiáng)化合金的發(fā)展。直到70年代初INCO公司*發(fā)明了機(jī)械合金化(MA)新工藝，解決了ODS合金氧化物均勻分布的問題，使合金得到快速發(fā)展，其中某些合金己經(jīng)達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平。

以下將以氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金為例，了解高溫合金的制備工藝[4]。

粉末的制備

高溫合金粉末的制備有三種制粉工藝:氣體霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、真空霧化法。而ODS高溫合金粉末的制備方法與上述制粉方法有著本質(zhì)的差異,其關(guān)鍵是將超細(xì)的氧化物質(zhì)點(diǎn)均勻分散于合金粉末中。常用的是以下四種方法：

(l)機(jī)械合金化(MA)法

機(jī)械合金化是用高能研磨機(jī)或球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)固態(tài)合金化的過程,由美國INCO公司于上世紀(jì)六十年代末研發(fā),是異類物質(zhì)實(shí)現(xiàn)微混合的*方法。現(xiàn)在,ODS高溫合金大多數(shù)是采用MA技術(shù)將超細(xì)的氧化物顆粒均勻地分散到合金基體中。含有彌散氧化物顆粒的機(jī)械合金化粉末經(jīng)固結(jié)處理后,便可得到密實(shí)的合金材料,機(jī)械合金化是制備ODS高溫合金的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(2)內(nèi)氧化法

內(nèi)氧化法是利用合金中含量少、并且對(duì)氧有很強(qiáng)親和力的合金元素與氧反應(yīng),生成氧化物質(zhì)點(diǎn)作為彌散相。

(3)化學(xué)共沉淀法

化學(xué)共沉淀法的原理是在所配制的溶液中加入合適的沉淀劑,并把pH控制值在適當(dāng)范圍內(nèi),以制備出超細(xì)顆粒的前驅(qū)體沉淀物,再經(jīng)陳化、過濾、洗滌、干燥以及熱分解得到納米級(jí)的復(fù)合氧化物粉末。

(4)預(yù)合金霧化粉末

將預(yù)先配置好的合金在霧化過程惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行熔化,在霧化氣體中加入氧氣,使霧化液滴在冷凝過程中氧化增氧,控制氣氛中氧的含量獲得不同的氧含量的霧化氣體,并通過霧化參數(shù)的控制獲得要求的粉末粒度[5]。

熱固結(jié)成型

松散的高溫合金粉末只有通過固結(jié)工藝,才能得到*致密化的材料。固結(jié)的主要方法有熱等靜壓(HIP)、熱擠壓等。

(1)熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)

熱等靜壓是一種在真空條件下利用高溫高壓手段將粉末熱固結(jié)成型的工藝。

熱等靜壓工藝的關(guān)鍵在于溫度、壓力和時(shí)間的控制,首先熱等靜壓的溫度不能過高,這樣可以避免彌散相的長(zhǎng)大;其次,熱等靜壓的壓力選擇應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)溫度合金材料的屈服應(yīng)力,使粉末顆粒能夠有效變形并發(fā)生冶金結(jié)合,消除材料空隙,提高合金致密度;保壓時(shí)間的選擇也很關(guān)鍵,時(shí)間太長(zhǎng)已經(jīng)致密化的合金在高溫高壓條件下組織發(fā)生變化,時(shí)間太短則不能有效致密化。

(2)熱擠壓(hotextrusion,HE)

ODS高溫合金一般采用熱擠壓工藝固結(jié),可以將粉末包套直接擠壓成形,也可以將合金化粉末經(jīng)熱等靜壓密實(shí)后再進(jìn)行二次擠壓成形,如圖所示。

圖3 熱擠制備ODS合金工藝過程[6]

熱擠壓過程中,大剪切力可以有效消除原始顆粒邊界,大幅度提高合金的致密度。大塑性變形過程中形成高密度位錯(cuò),增加了合金的儲(chǔ)能,有利于后續(xù)熱處理過程中形成較粗大的晶粒,提高合金的高溫性能。擠壓比、擠壓速率和溫度都是影響ODS合金顯微組織和力學(xué)性能的主要因素,通常,在較大的擠壓比、較低的擠壓溫度和較高的擠壓速率下熱固結(jié)成型,合金內(nèi)部可形成較高的位錯(cuò)密度分布及儲(chǔ)能,利于合金元素的擴(kuò)散及Y-Ti-0相的形成,同時(shí),經(jīng)過熱處理能夠形成沿?cái)D壓方向的柱狀晶組織,可以有效提高合金的高溫蠕變性能[7, 8]。

熱擠壓相對(duì)熱等靜壓固結(jié)成型,能夠產(chǎn)生更大的變形能力和密度更髙的致密體,合金的組織和性能有較大的區(qū)別。

熱機(jī)械處理

通過熱機(jī)械處理,可以進(jìn)一步減少粉末冶金合金的孔隙率,提高致密度,同時(shí)可以是合金微觀組織結(jié)構(gòu)更均勻,也可以進(jìn)一步使原始粉末顆粒邊界形成冶金結(jié)合。

高溫合金行業(yè)概況

*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50家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發(fā)達(dá)國家一般將涉及航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品作為戰(zhàn)略軍事物資，很少出口。

美國在高溫合金研發(fā)以及應(yīng)用方面一直處于地位，年產(chǎn)量約為5萬噸，其中近50%用于民用工業(yè)。美國有很多獨(dú)立的高溫合金公司，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用高溫合金的公司有通用電氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有其他的生產(chǎn)特鋼和高溫合金的公司如漢因斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克貢公司，因科國際公司等。這些公司都先后發(fā)展了公司自己的高溫合金牌號(hào)。

歐盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產(chǎn)和研發(fā)代表。英國是早研究和開發(fā)高溫合金的國家之一。英國的鑄造合金技術(shù)，代表性的是國際鎳公司的Nimocast合金，后來該國的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅爾斯羅伊斯控股公司又研制了定向凝固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研制的高溫合金主要用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造方面。

日本在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金和氧化物晶粒彌散強(qiáng)化高溫合金方面取得較大的成功。近年來，致力于開發(fā)新型的耐高溫合金，并成功開發(fā)出在1200℃高溫下依然能保持足夠強(qiáng)度的新合金。日本主要的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶制鋼公司。

經(jīng)過50多年發(fā)展，我國已經(jīng)形成了比較先進(jìn)，具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。我們把國內(nèi)從事高溫合金的廠家分為四類：

1、特鋼生產(chǎn)廠：東北特殊鋼鐵接團(tuán)撫順特殊鋼公司（簡(jiǎn)稱撫順特鋼），寶鋼股份公司特殊鋼事業(yè)部（簡(jiǎn)稱寶鋼特鋼）和攀鋼集團(tuán)長(zhǎng)城特殊鋼公司（簡(jiǎn)稱攀長(zhǎng)鋼）；

2、研究單位：鋼鐵研究總院，北京航空材料研究院，中國科學(xué)院金屬研究所，東北大學(xué)，北京科技大學(xué)等。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)公司精密鑄件廠：中航工業(yè)旗下各航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的精密鑄造廠：黎明、西航、黎陽、南方、貴航等。

4、鍛件熱加工廠：西南鋁業(yè)公司，第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠，中航重機(jī)股份有限公司宏遠(yuǎn)航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司。

目前，國內(nèi)規(guī)模較大的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼特鋼、攀長(zhǎng)鋼、中科院金屬所、北京航材院也具備一定的產(chǎn)能。

在航空航天產(chǎn)業(yè)中，用量最大的變型高溫合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長(zhǎng)鋼等公司完成。特鋼企業(yè)生產(chǎn)的變型高溫合金，適用于大批量、通用性、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。鋼研高納在上市后也擴(kuò)大了變形高溫合金產(chǎn)能，募投項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后也具備了相當(dāng)?shù)淖冃透邷睾辖甬a(chǎn)能。

目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類是鋼研高納、中科院金屬所和北京航材院三家公司；另一類是黎明、西航、南方、成發(fā)等專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠自行生產(chǎn)精鑄件。三家單位主要承接航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠對(duì)外委托的精鑄件業(yè)務(wù)。目前三家單位在鑄造高溫合金的材料制備、生產(chǎn)技術(shù)上均有各自特點(diǎn)，其中鋼研高納產(chǎn)能大于其余兩家。