高溫合金是指一類以鐵、鎳、鈷為基體的金屬材料，可以在600℃以上的高溫和一定的應力下長期工作； 并具有較高的高溫強度、良好的抗氧化性和耐腐蝕性。 良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。 該高溫合金為單一奧氏體結構，在各種溫度下具有良好的結構穩定性和服役可靠性。

基于以上性能特點，合金化程度高的高溫合金，又稱“超級合金”，是廣泛應用于航空、航天、石油、化工、船舶等領域的重要材料。 高溫合金按基體元素分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。 鐵基高溫合金的使用溫度一般只能達到750~780℃。 對于在較高溫度下使用的耐熱部件，使用鎳基和難熔金屬基合金。 鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊而重要的地位。 它們廣泛用于制造航空噴氣發動機和各種工業燃氣輪機的最熱部件。

高溫合金性能

材料在高溫環境下各種降解速率加快，使用過程中在溫度和應力的作用下容易發生組織失穩、變形和裂紋擴展，材料表面發生氧化腐蝕。

1、耐高溫、耐腐蝕

高溫合金的耐高溫和耐蝕性能主要取決于其化學成分和組織。 以鎳基變形高溫合金為例，可以看出合金中鈮含量高，合金中鈮的偏析與冶金工藝有直接關系。 左右高溫，與美牌相似，合金由γ基體相、δ相、碳化物和強化相γ'、γ″相組成。 該合金的化學元素和基體組織顯示出其強大的力學性能，屈服強度和抗拉強度比45鋼好幾倍，塑性也比45鋼好。 穩定的晶格結構和大量的強化因素構成了其優異的力學性能。

鎳鉻鉬鈦鈮鋁鐵

51． 96 17． 98 3． 07 0． 95 4． 82 0． 還有 45 個

表1主要化學成分（質量分數%）

2、加工難度高

由于高溫合金的工作環境復雜、惡劣，加工表面的完整性對其性能起著非常重要的作用。 但高溫合金是典型的難加工材料，其顯微強化件硬度高、加工硬化嚴重高溫高壓不銹鋼換熱管，抗剪應力高、導熱系數低。 切削區的切削力和切削溫度較高，在加工過程中經常發生。 加工表面質量低，刀具損傷非常嚴重。 在正常切削條件下，高溫合金表層會產生過大的硬化層、殘余應力、白層、黑層和晶粒變形層。

高溫合金的主要分類

傳統的高溫合金材料分類可按基體元素類型、合金強化類型、材料形成方法等三種方式進行。

1.根據矩陣元素的類型

⑴ 鐵基高溫合金

鐵基高溫合金也可稱為耐熱合金鋼。 其基體為Fe元素，加入少量Ni、Cr等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。

⑵ 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金含有一半以上的鎳，適用于1000℃以上的工作條件。 固溶和時效過程可以大大提高抗蠕變性和壓縮屈服強度。 目前，從高溫環境下使用的高溫合金分析，鎳基高溫合金的使用范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金的使用范圍。 同時，鎳基高溫合金也是我國生產和使用最多的高溫合金。 許多渦輪發動機的渦輪葉片和燃燒室，甚至渦輪增壓器都使用鎳基合金作為制備材料。 半個多世紀以來，航空發動機所用高溫材料承受高溫的能力從1940年代后期的750℃提高到1990年代后期的1200℃。 應該說，這種巨大的改進也促使了鑄造工藝加工和表面涂層等方面的飛速發展。

⑶ 鈷基高溫合金

鈷基高溫合金以鈷為主要成分，鈷含量約占60%。 同時還需要加入Cr、Ni等元素來提高高溫合金的耐熱性。 雖然這種高溫合金的耐熱性不錯，但由于各國鈷資源的產量比較少，加工難度也比較大，所以鈷資源量并不多。 通常用于高溫條件（600～1 000℃）和長期承受極端復雜應力的高溫部件，如航空發動機工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等. 為了獲得更好的耐熱性，一般情況下，制備時應加入W、MO、Ti、Al、Co等元素高溫高壓不銹鋼換熱管，以保證其優越的耐熱性和抗疲勞性。

2、合金強化型

根據合金強化的類型，高溫合金可分為固溶強化高溫合金和時效沉淀強化合金。

⑴固溶強化型

所謂固溶強化型就是在鐵基、鎳基或鈷基高溫合金中加入一些合金元素，形成單相奧氏體組織。 溶質原子使固溶體的基體晶格發生畸變，使固溶體中的滑移阻力增加而強化。 一些溶質原子可以降低合金體系的堆垛層錯能，增加位錯分解的傾向，使滑移難以進行，強化合金，達到強化高溫合金的目的。

⑵時效析出強化

所謂時效析出強化是合金工件經固溶處理和冷塑性變形，然后置于較高溫度或室溫下以保持其性能的熱處理工藝。 例如：合金，在650℃時的最高屈服強度可達1 000 MPa，用于制造葉片的合金溫度可達950℃。

3.材料成型方法

按材料成形方法分：鑄造高溫合金（包括普通鑄造合金、單晶合金、取向合金等）、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金（包括普通粉末冶金和氧化物彌散強化高溫合金）。

⑴ 鑄造高溫合金

用鑄造法直接制備零件的合金材料稱為鑄造高溫合金。 按合金基體成分可分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金三種。 按結晶方式可分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金四種。

⑵變形高溫合金

目前，它仍是航空發動機中使用最多的材料，在國內外得到廣泛應用。 我國變形高溫合金年產量約為美國的1/8 [2] 。 以合金為例，是國內外應用范圍最廣的主要品種。 我國主要以渦軸發動機的螺栓、壓氣機、輪轂、拋油盤為主要零部件。 隨著其他合金產品的成熟，變形高溫合金的使用可能會逐漸減少，但在未來幾十年內仍將如此。 主導的。

⑶ 新型高溫合金

包括粉末高溫合金、鈦鋁金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等細分產品領域。

①第三代粉末高溫合金的合金化程度有所提高，從而兼顧了前兩代的優點，獲得了更高的強度和更低的損傷。 粉末高溫合金的生產工藝日趨成熟。 未來可能從以下幾個方面進行：粉體制備、熱處理工藝、計算機模擬技術、雙性能粉盤；

②鈦鋁金屬間化合物已發展到第四代，并逐漸向多元素微量元素和常量元素兩個方向擴展。 德國漢堡大學、日本京都大學、德國GKSS中心都進行了廣泛的研究。 鈦鋁基金屬間化合物已用于船舶、生物醫藥、體育用品等領域；

③氧化物彌散強化高溫合金是粉末高溫合金的一部分，目前正在生產和開發的有近20種。 具有較高的高溫強度和較低的應力系數，廣泛用于燃氣輪機、高級航空發動機、石油化工反應器等的耐熱、抗氧化部件；

④耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，用于建筑和航空航天領域。

高溫合金的常見類型

1、高溫合金

該合金是一種鎳鉻鐵基高溫合金。 該合金屬于鎳基變形高溫合金。 鎳基合金是最復雜的合金之一。 廣泛用于制造各種耐高溫元件。 同時，它也是所有高溫合金中最引人注目的合金。 其相對使用溫度也是所有常用合金體系中最高的。 目前，這種合金在先進航空發動機中的比例超過50%。

該合金是國際鎳業公司佛山市新澤昌不銹鋼有限公司研制成功并于1995年公開推出的一種時效硬化型鎳鉻鐵基變形合金。由體心立方g"和面心立方g'相強化。在650℃以下具有較高的抗拉強度、屈服強度和良好的塑性，具有良好的耐蝕、耐輻射、疲勞、斷裂韌性等綜合性能性能，以及令人滿意的焊接和焊后成形性能等。該合金在-253至650℃的寬溫度范圍內具有穩定的組織和性能，已成為低溫和高溫條件下的有用產品。高溫合金的范圍非常廣泛，由于其良好的綜合性能，目前廣泛用于航空發動機的壓氣機盤、壓氣機軸、壓氣機葉片、渦輪盤、渦輪軸、機殼、緊固件等結構件和板材焊件等[3]。

我國70年代開始研制合金，主要用于盤件，使用時間較短，故采用真空感應和電渣重熔雙重工藝。 80年代開始應用于航空領域。 改善和提高材料質量，提高合金的綜合性能和可靠性成為主要研究方向。 目前合金的主要研究方向是：

(1)改進冶煉工藝，量化冶煉參數，實現程序穩定運行，使合金組織更加均勻，從而獲得優異的屈服強度和疲勞強度，以及抗裂紋擴展能力和阻滯，提高低周疲勞強度等；

(2)改進熱處理工藝。 目前的熱處理工藝不能很好地消除鋼錠中心偏析，因此對組織的均勻性產生不利影響。 因此，采用合理的均勻化退火工藝獲得細晶粒坯料成為目前的主要研究方向之一；

(3)改進使用設計。 由于高溫合金的工作溫度不能高于650℃，因此應加強零件的冷卻，以充分發揮高溫合金高性能、低成本的優勢；

（四）提高組織穩定性。 由于航空發動機部件的長壽命要求，提高合金長期時效組織的穩定性也至關重要。

2. 單晶高溫合金

目前單晶合金材料已經發展到第四代，耐溫能力提高到1140℃，接近金屬材料的溫度極限。 為進一步滿足未來先進航空發動機的需要，葉片材料的開發應進一步擴大。 陶瓷基復合材料有望替代單晶高溫合金，滿足熱端部件在更高溫度環境下的使用。

單晶高溫合金葉片的研制難度和周期與其結構復雜性有關。 一般復雜度的單晶葉片研制周期較短，但應用于航空發動機需要較長時間。 從單晶實心葉片到單晶空心葉片，再到高效風冷復合空心葉片等，技術難度跨度非常大，相應的開發周期跨度也比較大。 普通復雜度的單晶空心葉片，從圖紙確認、模具設計到試制，再到小批量生產，一般需要1~2年的時間。但由于其服役環境復雜，單晶葉片需要一個大量的驗證測試。 普通結構的單晶空心葉片研制成功后，一般需要5到10年的時間才能應用到航空發動機上。 進步，甚至需要15年或更長時間

高溫合金的主要用途

1、航天領域

我國自主航天工業發展先進發動機，將帶來市場對高端新型高溫合金的需求增加。

航空發動機被譽為“工業之花”，是航空工業中技術含量最高、難度最大的零部件之一。 作為飛機動力裝置，金屬結構材料具有輕質、高強、高韌性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能尤為重要，這幾乎是結構材料中最高的性能要求。

高溫合金是可以在 600°C 以上的溫度和一定的應力條件下長期工作的金屬材料。 高溫合金是為滿足現代航空發動機嚴格的材料要求而開發的，已成為航空發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。 目前，在先進航空發動機中，高溫合金的比例已達到50%以上。

在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的用量占發動機總量的40%～60%。 在航空發動機中，高溫合金主要用于燃燒室、導葉、渦輪葉片和渦輪盤這四個熱段部件； 此外，它們還用于外殼、環、加力燃燒室和尾噴口等部件。

2.能量場

高溫合金廣泛應用于能源領域。 燃煤電廠高參數超超臨界發電鍋爐、過熱器和再過熱器必須采用抗蠕變性能好、蒸汽側抗氧化、煙氣側耐腐蝕的高溫合金管； 在燃氣輪機中，渦輪葉片和導流葉片需要使用耐高溫腐蝕高溫合金，具有優良的耐高溫腐蝕性能和長期的結構穩定性； 在核電領域，蒸汽發生器傳熱管必須使用耐溶液腐蝕的高溫合金； 在氣化和節能減排領域，具有優異的抗高溫熱腐蝕和高溫磨損性能的高溫合金得到廣泛應用； 在石油和天然氣開采中，特別是在深井開采中，鉆具處于4-150℃的酸性環境中，并且存在CO2、H2S和沉積物，必須使用耐腐蝕和耐磨的高溫合金[5 ].

我國上海電氣、東方電氣、佛山新澤昌不銹鋼有限公司等大型發電設備制造集團近年來在生產規模和生產技術方面都有較大提升，拉動了電力渦輪盤的需求代設備。 本土正在研發的新一代發電設備——大型地面燃氣輪機（也可作為船用動力）取得重大進展，量產將拉動高溫合金需求。 同時，核電裝備的國產化也將拉動國產高溫合金的需求。