第一节高温合金Superalloys
高温合金概述
1.1 高温合金1.1.1 高温合金及其发展概况高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。
具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。
高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Superalloy）。
高温合金于20世纪40年代问世，最初就是为满足喷气发动机对材料的耐高温和高强度要求而研制的，高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关，1939年英国Mond镍公司首先研究出Nimonic75，随后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作涡轮气发动机的叶片材料，此后该公司又在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。
如今先进航空发动机中高温合金用量已超过50%。
此外，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域得到广泛的应用。
高温合金在满足不同使用条件中得到发展，形成各种系列的合金，除传统的高温合金外，还开发出一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。
高温合金是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机等高温热端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，对材料的质量控制与检测非常严格。
高温合金的基本用途仍旧是飞行器的燃气轮发动机的高温部分，它要占先进的发动机重量的50％以上。
然而，这些材料在高温下极好的性能已使其用途远远超出了这一行业。
除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及汽车用途的涡轮发动机上。
具体的发动机部件包括涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧部件以及发动机螺栓。
除了燃气发动机行业之外，高温合金还被选择用于火箭发动机、宇宙、石油化工、能源生产、内燃烧发动机、金属成形(热加工工模具)、热处理设备、核电反应堆和煤转换装置。
耐高温材料排行前十名
耐高温材料排行前十名耐高温材料在现代工业领域发挥着至关重要的作用，它们可以在极端高温环境下保持稳定的性能，确保工业设备的安全运行。
以下是耐高温材料排行前十名的概述。
1. 碳化硅（SiC）：碳化硅是一种非常常见的耐高温材料，具有优异的高温机械性能和优良的化学稳定性。
它可以耐受高温（超过1500摄氏度）和极端环境条件，被广泛应用于航空航天、化工、电力等领域。
2. 铸造渣浆陶瓷（ZAC）：ZAC是一种钨基材料，具有出色的高温耐性。
它主要用于高温地质勘探和开采行业，可以在超过3000摄氏度的高温环境中稳定工作。
3. 高温合金（Superalloys）：高温合金是由金属、非金属和其他合金元素构成的复合材料。
它们具有优异的高温强度、耐腐蚀性和疲劳寿命，广泛应用于航空航天、能源和核工业。
4. 高温陶瓷（High-temperature ceramics）：高温陶瓷是一类由稀土、氧化铝和其他化合物制成的材料。
它们具有极高的熔点和优异的化学稳定性，被广泛应用于炉具、热电偶和陶瓷刀具等领域。
5. 纳米陶瓷：纳米陶瓷是一种具有纳米尺度颗粒的陶瓷材料。
它们具有优异的高温稳定性和机械性能，在压力、摩擦和磨损等极端条件下表现出色。
6. 高温涂层材料（High-temperature coating materials）：高温涂层材料是一种应用于表面保护和热障的材料。
它们可以降低热传导、提高耐热性和延长设备寿命，在航空发动机、燃气涡轮和工业炉等领域得到广泛应用。
7. 耐火砖（Refractory bricks）：耐火砖是一种由高纯度粘土和其他耐火材料烧制而成的材料。
它们具有出色的抗高温性能和化学稳定性，广泛应用于炉膛、工业炉和冶金设备等高温环境中。
8. 高温硅酸盐陶瓷（High-temperature silicate ceramics）：高温硅酸盐陶瓷是一种由硅酸盐矿物质制成的材料。
它们具有优异的热稳定性和机械性能，在航空航天、制陶和电子等领域得到广泛应用。
高温合金简述
7
镍基高温合金的可加工性取决于决定合金耐热强度的化 学元素。组成镍基合金基体成分之一的镍，并不影响可加工 性。 镍基高温合金中的硼和铈起强化晶界的作用，带来了加 工性的变坏。钛和铝会和镍元素形成金属 γ' 相－ Ni3 （ Al 、 Ti），钛和铝的含量增加导致γ'强化相的增加，合金中金属间 γ' 相的增加提高了合金塑性变形时的抗剪切强度及金属加工 过程中的切削温度。此外，合金中 γ' 相的增加也增加了粘附 抗剪切强度和合金的抗磨蚀作用 [4]，从而降低了镍基高温合 金的切削性能。
[5] Jian Zhang. Effect of Ti and Ta on hot cracking susceptibility of directionally solidified Ni-based superalloy IN792. Scripta Materialia, 2003, 48(6): 677~681. [6] D. Leidermark, J.J. Moverare, S. Johansson, K. Simonsson, S. Sj ö str ö m. Tension/compression asymmetry of a single-crystal superalloy in virgin and degraded condition. Acta Materialia, 2010,58(15): 4986~4997.
9
高温合金方面的经典著作
高温合金方面的经典著作在高温合金领域，有一些经典的著作对该领域的发展和研究产生了重要影响。
以下是其中一些著名的著作："High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys"（高温有序金属间化合物合金）：这本书是由Yoshihide Watanabe和Masaharu Yamaguchi等人合著的，于1991年出版。
该书系统地介绍了高温有序金属间化合物合金的研究进展、合金设计原则和性能特点。
"Superalloys: A Technical Guide"（超级合金：技术指南）：这本书是由Eric S. Huron 和David N. Duhl等人合著的，于1984年出版。
该书详细介绍了超级合金的组成、制备、性能和应用领域，是该领域的经典参考书之一。
"High-Temperature Oxidation and Corrosion of Metals"（金属的高温氧化和腐蚀）：这本书是由David John Young合著的，于2008年出版。
该书系统地介绍了金属在高温下的氧化和腐蚀行为，包括机理、影响因素和防护措施等内容。
"High-Temperature Corrosion and Materials Chemistry"（高温腐蚀和材料化学）：这本书是由Inga A. Bergstrom和David G. Pettifor等人合著的，于2008年出版。
该书综合了高温腐蚀和材料化学的知识，探讨了高温环境下材料的腐蚀机理和材料设计原则。
这些经典著作在高温合金领域提供了重要的理论基础和实践指导，对于研究人员和工程师在高温环境下材料的选择、设计和应用具有重要的参考价值。
高温合金(Superalloys)
铸造高温合金编号为K+三位数字， 如K403。
第一位数字表示分类号，即：
航空发动机
2—表示时效硬化型铁基合金； 4—表示时效硬化型镍基合金； 6—表示时效硬化型钴基合金。 第二、三位数字表示合金的编号。 焊接高温合金丝的编号为HGH+四位 数字，含义与变形高温合金相同。
高温合金分类
俄罗斯米格-31“捕狐犬”
世界最先进的战斗机
法国“阵 风”战斗 机
俄罗斯米格1.44战斗机
欧洲EF2000战斗机
美国 YF—22A 型战斗机
我国高温合金起步于1956年。40多年来，我国的高温
合金从无到有、从仿制到独创，至今已研制和生产了 百余种牌号的高温合金，基本上形成了我国的高温合 金系列和科研、生产基地，保证了我国国防工业及民
5、铸造镍基高温合金可进一步提高合金化程度，从 而具有更高的高温强度。镍基高温合金的使用温度 已接近1100℃。
铸造压气机叶片
铸造一级涡轮盘(MAR M 247合金)
高温合金的性能特点
一、高的高温强度 （蠕变强度、持久强度、热疲劳强度、松弛）
材料强度比较
二、高的抗高温氧化和热腐蚀的能力
在高温下，合金会与环境介质中的氧发生反应（氧
碳化物
Al、Ni及其化合物的晶格常数
TCP相
含有TCP相的高温合金组织
3、合金化程度高：含有Cr、 Co、Mo、W、B、Zr、
Ta、V、Al、Ti等十多种元素。起固溶强化、第二 相强 化、 晶界 强化
等综
合强
化作
用。
高温合金成分演变示意图
4、耐蚀性好：耐中性、酸性、碱性、氧化及还原介 质的腐蚀。耐高温腐蚀和氧化。
高温合金概述
1.1 高温合金1.1.1 高温合金及其发展概况高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。
具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。
高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Superalloy）。
高温合金于20世纪40年代问世，最初就是为满足喷气发动机对材料的耐高温和高强度要求而研制的，高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关，1939年英国Mond镍公司首先研究出Nimonic75，随后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作涡轮气发动机的叶片材料，此后该公司又在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。
如今先进航空发动机中高温合金用量已超过50%。
此外，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域得到广泛的应用。
高温合金在满足不同使用条件中得到发展，形成各种系列的合金，除传统的高温合金外，还开发出一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。
高温合金是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机等高温热端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，对材料的质量控制与检测非常严格。
高温合金的基本用途仍旧是飞行器的燃气轮发动机的高温部分，它要占先进的发动机重量的50％以上。
然而，这些材料在高温下极好的性能已使其用途远远超出了这一行业。
除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及汽车用途的涡轮发动机上。
具体的发动机部件包括涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧部件以及发动机螺栓。
除了燃气发动机行业之外，高温合金还被选择用于火箭发动机、宇宙、石油化工、能源生产、内燃烧发动机、金属成形(热加工工模具)、热处理设备、核电反应堆和煤转换装置。
材料科学与工程专业英语1-19单元课后翻译答案
1.“材料科学”涉及到研究材料的结构与性能的关系。
相反，材料工程是根据材料的结构与性质的关系来涉及或操控材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。
2.实际上，所有固体材料的重要性质可以分为六类：机械、电学、热学、磁学、光学、腐蚀性。
3.除了结构与性质，材料科学与工程还有其他两个重要的组成部分，即加工与性能。
4.工程师或科学家越熟悉材料的各种性质、结构、性能之间的关系以及材料的加工技术，根据以上的原则，他或她就会越自信与熟练地对材料进行更明智的选择。
5.只有在少数情况下，材料才具有最优或最理想的综合性质。
因此，有时候有必要为某一性质而牺牲另一性能。
6.Interdisciplinary dielectric constant Solid material(s) heat capacity Mechanical property electromagnetic radiation Material processing elastic modulus7.It was not until relativcal properties relate deformation to an applied load or force.Unit 21. 金属是电和热很好的导体，在可见光下不透明；擦亮的金属外表有金属光泽。
2. 陶瓷是典型的导热导电的绝缘体，并且比金属和聚合物具有更高的耐热温度和耐恶劣环境性能。
3. 用于高科技领域的材料有时也被称为先进材料。
4. 压电陶瓷在电场作用下膨胀和收缩；反之，当它们膨胀和收缩时，他们也能产生一个电场。
5. 随着能够观察单个原子或者分子的扫描探针显微镜的出现，操控和移动原子和分子以形成新结构成为可能，因此，我们能通过一些简单的原子水平的构建就可以设计出新的材料。
6. advanced materials ceramic materials high-performance materials clay minerals alloy implant glass fibre carbon nanotube7. Metallic materials have large numbers of nonlocalized electrons and many properties of metals are directly attributable to these electrons.8. Many of polymeric materials are organic compounds with very large molecular structures.9. Semiconductors hace electrical properties that are intermediate between the electrical conductors(viz. metals and metal alloys) and insulators(viz. ceramics and polymers). 10. Biomaterials must not produce toxic substances and must be compatible with body tissues.Unit 31．金属的行为〔性质〕不同于陶瓷的行为〔性质〕，陶瓷的行为〔性质〕不同于聚合物的行为〔性质〕。
世界上最耐高温的材料
世界上最耐高温的材料世界上最耐高温的材料高温环境对材料的使用带来了巨大的挑战，因为高温会引起许多材料的熔化、氧化、膨胀等问题。
然而，科学家们一直在努力寻找能够在极端高温下保持稳定性的材料。
本文将介绍几种世界上最耐高温的材料，这些材料不仅能够承受极端高温，还具有其他优异的性能。
1. 石墨烯（Graphene）石墨烯是由单层碳原子排列形成的二维结构材料。
它具有极高的热导率和化学稳定性，可以在高达5000摄氏度的温度下保持稳定性。
同时，石墨烯还具有出色的强度和柔韧性，使得它成为高温环境中理想的材料选择。
2. 碳化硅（Silicon Carbide）碳化硅是一种陶瓷材料，具有惊人的耐高温性能。
它在高达2700摄氏度的温度下可以保持结构稳定性，并且具有优异的热传导性能和低热膨胀系数。
碳化硅被广泛应用于高温应用中，如航天器热结构件、高温传感器等。
3. 钼合金（Molybdenum Alloys）钼合金是一种由钼和其他金属元素（如钛、锆等）合成的高温材料。
它具有良好的热膨胀性能和出色的耐高温稳定性，可以在高达2000摄氏度的温度下保持结构强度。
钼合金被广泛应用于高温工艺中，如高温炉的加热元件、火箭发动机喷头等。
4. 高温合金（Superalloys）高温合金是一类特殊的金属材料，具有出色的高温稳定性和优异的机械性能。
它们通常由镍、铬、钼等元素合成，并添加了其他合金元素以增强其高温性能。
高温合金可以在高达1300摄氏度的温度下保持稳定性，并且具有优异的耐腐蚀性能。
高温合金广泛应用于航空、航天等领域，如航空发动机的涡轮盘、燃烧室等部件。
5. 纳米陶瓷材料（Nanoceramics）纳米陶瓷材料是一种具有纳米尺度结构的陶瓷材料。
它们通过纳米颗粒的控制制备方法，具有惊人的耐高温性能。
许多纳米陶瓷材料可以在高达2000摄氏度的温度下保持稳定性，并具有出色的机械性能和耐腐蚀性能。
纳米陶瓷材料在航天、能源等领域有广泛的应用潜力。
镍基高温合金-PPT课件
燃气轮机涡轮零件
西北工业大学
材料学院
陈铮
本科生学位课
金属材料学
6
高温合金的分类
高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造 高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。
按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金，
使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴
基高温合金次之，铁基高温合金最低。
1000
1100
1200
1300
计算结果：界面结构与结构稳定性
(200)L (a)
(100)D (b)
r = ½ [100] (c) ]
(00 2)L
(00 2)D
r = ½ [001] ]
西北工业大学
材料学院
陈铮
本科生学位课
金属材料学
计算结果：包含了相取向、相形貌的组织结构及其稳定性
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 50
22
高温合金的未来
金属间化合物的脆性：是影响其应用的最大问题。脆性与 有序化排列及复杂的晶体结构有关。某些材料单晶塑性好，
但多晶很脆。
（1）加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布。 （2）通过合金化改变有序结构的类型。 （3）微合金强化晶界。如，添加B消除晶界脆性。 （4）材料的纯化。使用高纯原材料。 （5）细化晶粒。细化第二相组织及加入弥散第二相质点。
按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温 合金和氧化物弥散强化高温合金。
按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。
7
西北工业大学
材料学院
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本科生学位课
(最新整理)高温合金PPT讲解
目前美国高温合金总产量约为每年2.3～3.6万t，大约1／2～1 ／3应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，由于主要目标 不是高温下的强度，因此这些合金成分上的特点是以镍、铁或钴 为基，并含有大约20％～35％的铬，大量的钨、钼等固溶强化元 素，而铝、钛等γ形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。
余 15
--
3 5.2 4.8 --
--
--
K417G Rene'100 0.18 9
余 10
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3 5.2 4.4 --
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K418 IN713C 0.12 12.5 余
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-- 5.3
6
0.8
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2.2
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K419
TRWVIA
0.11
6
余 12 10
2
5.3 1.2 -- 2.9
--
K438
2021/7/26
牌号
注册商家
CMSX
Cannon-Muskegon Corporation(佳能-穆斯克贡公司)
Discaloy
Westinghouse corporation(西屋公司)
Gatorize
United Aircraft Company(联合航空公司)
Haynes
Haynes Stellite C0mpany(汉因斯．司泰特公司)
2021/7/26
10
高温合金的质量要求： 外部质量：外部轮廓形状、尺寸精度、表面缺陷清理方法。
飞机结构类常用英汉词汇
拉伸应力 tensile stress
压缩 compression
压缩应力 compression stress
剪切 shear
剪切应力 shear stress
弯曲 bending
蜂窝夹芯结构 honeycomb sandwich structure
包铝层 alclad
包铝薄板 alclad sheet
合金 alloy
合金钢 alloy steel
碳钢 carbon steel
结构钢 structural steel
机加件 machined part
槽型件 channel
挤压型材 extruded section
剪切角材 shear angle
剪切角片 shear clip
拉伸角材 tension angle
机加操作 machining operation
补钻孔 counterdrilling
螺栓头 bolt head
铆钉头 rivet head
镦头 upset head
成形 forming
螺纹 thread
外螺纹 external thread
最小壁厚 minimum wall thickness
托板螺母 nut plate
盲紧固件 blind fastener
带套环的螺纹抽钉 flushlok bolt
复合材料 composite (material)
先进复合材料 advanced composite
蜂窝 honeycomb
蜂窝夹芯 honeycomb sandwich
高温合金精品PPT课件
4.提高高温合金性能的途径和方法
(1) 结构强化
(2) 1) 固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、
钼 (3) 等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低
合 (4) 金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。
固溶强化与下列因素有关：
① 溶质和溶剂原子大小差。溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻 碍位错运动。
形变速率显著增加，当达图中D点时，材
料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变
断裂时间越短。
图2 典型的蠕变曲线
7
提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动 过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶 界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。
(2) 抗腐蚀性
提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加 入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或 鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。
缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%~22% 和 w Cr = 20%~30%，以
及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以 碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如 镍基高温合金。
钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。
5
3.高温合金的高温性能要求
(High-temperature alloy)
1. 高温合金的定义和发展 2. 高温合金的特性和分类 3. 高温合金的高温性能要求 4. 提高高温合金性能的途径和方法 5. 高温合金的应用 6. 高温合金的未来 7.高温合金的制备工艺
1
1.高温合金的定义和发展
高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持 按设计要求正常工作的金属材料。
高温合金
科技名词定义中文名称：高温合金英文名称：superalloy定义：指在650°C以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。
目前常是镍基、铁基、钴基高温合金的统称。
所属学科：航空科技（一级学科）；航空材料（二级学科）高温合金在600-1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。
艺可分为变形高温铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中,加入镍、钨等高温合金元素，发展出多种高温合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。
由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。
40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。
苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。
中国从1956年开始试制高温合金，逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。
70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。
北京融品科技有限公司提供高温合金锻件产品编辑本段提高强度加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变沉淀强化通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ、γ"、碳化物等），以强化合金。
γ相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。
γ相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。
镍基合金中典型的γ相为Ni3(Al,Ti)。
γ相的强化效应可通过以下途径得到加强：①增加γ相的数量；②使γ相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；③加入铌、钽等元素增大γ相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能高温合金力；④加入钴、钨、钼等元素提高γ相的强度。
高温合金
2.4.3.2 涡轮盘合金成分、组织和性能
• 涡轮盘的性能要求
– 高强度 – 高断裂韧性 – 抗初始裂纹能力 – 低的疲劳裂纹扩展能力。 – 抗蠕变？
Distribution of Contributing Factors to the Strength
Matrix (pure Ni) ~20% Solid solution + Tertiary γ ’ ~30% Secondary γ’ ~35% Grain Boundary + Primary γ’ ~15%
• FGH4095
– 镍基沉淀硬化型粉末高温合金，可在1050°C以下长 期使用
镍基高温合金中 的主要相
Typical nickel-base superalloys are variations of an austenitic nickel-chromiumtungsten (or molybdenum) matrix, further hardened by coherent particles of γ’(Ni3Al,Ti) with optional additions of cobalt, niobium, tantalum, zirconium, boron, hafnium, carbon, and iron. Single-crystal superalloys do not require grain boundary strengthening elements so that boron, carbon, zirconium, and hafnium are eliminated.
高温合金的微观组织
• γ相: 基体相 • γ’ 相: 主要强化相 • 镍基高温合金的典型组织是在基
高温钴合金
高温钴合金是一类具有优异高温性能的合金材料，主要由钴（Co）和其他合金元素组成。
这些合金通常具有良好的耐热、耐腐蚀和高强度等特性，使其在高温环境下有广泛的应用。
以下是一些常见的高温钴合金及其特点：
1. 钴基高温合金（Cobalt-based Superalloys）：钴基高温合金是一类以钴为基础元素的高温合金，通常合金中含有铬、镍、钼等元素。
它们具有出色的耐热性、耐氧化性和抗蠕变性能，在高温环境下保持较高的强度和韧性。
钴基高温合金广泛应用于航空航天、石油化工、能源等领域，例如用于制造涡轮发动机叶片、燃烧室部件等。
2. 镍基高温合金（Nickel-based Superalloys）：虽然不是纯钴合金，但镍基高温合金也可以包含一定比例的钴。
镍基高温合金具有出色的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能，广泛应用于航空航天、发电、化工等领域。
例如，在航空发动机中使用镍基高温合金制造叶片、燃烧室部件等。
3. 钴铬钼合金（Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloys）：钴铬钼合金通常被称为“钴合金”，是一种具有优异高温性能的材料。
它们具有出色的耐磨、耐腐蚀和抗热疲劳性能，常用于制造高温工作环境下的部件，如涡轮叶片、阀门、燃气涡轮等。
高温钴合金的应用范围广泛，不仅在航空航天领域有重要作用，还在能源、化工、医疗等领域有广泛应用。
它们的优异性能使其能够承受高温和恶劣环境条件，并保持材料的强度和稳定性，为各种工程和技术应用提供了可靠的解决方案。
超因瓦Super-Invar高温合金成分 超因瓦Super-Invar对应牌号
一：牌号：超因瓦Super-Invar合金
保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接衡状态的组织正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快。
将合金管件加热到临界温度以上30~50℃所以正火热处理的生产周期短。
尽可能选用正火。
大部分中，合金管件的坯料般都采用正火热处理。
一般合金钢坯料常采用
退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。
钢件淬硬后。
故退火与正火同样能达到合金管件性能要求时再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定
时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
镍基高温合金
1 高温合金材料 (superalloy material)
• 一般指在600℃以上承受一定应力条件下工作旳合金材料。 它不但有良好旳高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高旳 高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好旳抗疲劳性能。 它是当代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工 业燃气轮机旳关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶 片、涡轮盘、燃烧室和机匣等），也是核反应堆、化工设 备、煤转化技术等方面需要旳主要高温构造材料。
添加元素及作用 ：
镍基铸造高温合金以γ相为基体， 添加铝、钛、铌、钽等形成γ´相进行强化，γ´相数量较多， 有旳合金高达60%；
加入钴能提升γ´相旳溶解温度，提升合金旳使用温度；
钼、钨、铬具有强化固溶体旳作用，铬、钼、钽还能形成一 系列对晶界产生强化作用旳碳化物；
铝和铬有利于抗氧化能力，但铬降低γ´相旳溶解度和高温强 度，所以铬含量应低些；
• 应用 镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车 辆用燃气轮机旳最关键旳高温部件，如涡轮机叶片、 导向叶片和整体涡轮等。
高温合金 汽车增压器喷嘴环叶片
燃气轮机涡轮零件
2 分类
• 高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸 造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。
• 按合金基体元素，可分为铁基、镍基和钴基高温合金， 使用最广旳是镍基高温合金，其高温持久强度最高， 钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。
• 按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高 温合金和氧化物弥散强化高温合金。
• 按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。
3 镍基变形高温合金 (wrought nickel - base superalloy )
• 以镍为主要基体成份旳变形高温合金。镍基变形高温 合金以汉语拼音字母“GH” 加序号表达，如GH36、 GH49、GH141等。它可采用常规旳锻、轧和挤压等 冷、热变形手段加工成材。
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温合金的发展，其成分也越来越复杂, 基体由单
一的镍基发展出铁基和钴基, 合金元素已达十多
种, 除Al、Ti外, 还有Nb、C、W、Mo、Ta、
Co、Zr、B、Ce、La、Hf、Mn、N等。高温合
金的组织也由单一的奥氏体变为含有晶内、晶
界强化相，甚至有害相的复杂组织。
高温合金的工艺发展也很快。40年代到50年代中期， 主要通过调整合金成分来提高合金性能。50年代出现 真空熔炼技术，有效去处有害杂质和气体。60年代， 定向凝固、单晶合 金、粉末冶金、机 械合金化、陶瓷过 滤等温锻造等新工 艺相继出现。高温 合金的使用温度接 近其熔点的90%。
中国歼8Ⅱ
美国F-22“猛禽”
俄罗斯米格-31“捕狐犬”
世界最先进的战斗机
法国“阵 风”战斗 机
俄罗斯米格1.44战斗机
欧洲EF2000战斗机
美国
YF—22A 型战斗机
我国高温合金起步于1956年。40多年来，我国的高温
合金从无到有、从仿制到独创，至今已研制和生产了
百余种牌号的高温合金，基本上形成了我国的高温合
铁基高温合金 镍基高温合金 钴基高温合金
镍基高温合金
高温合金目前主要以Fe、Ni、Co为基。应用最广、 用量最大的是镍基高温合金，常用于制造航空发动 机的叶片、涡轮盘和燃烧室等。
基 合 金 涡 轮 叶 片
喷气发动机
Ni
涡轮喷气发动机内部示意图
1—压气机；2—燃烧室；3—涡轮发动机
涡轮喷气发动机示意图
有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg 等，它们的作用主要是降低晶 界能量和净化晶界。 (2)控制有害杂质。
高温下，拉应力使金属 中垂直晶界的扩散加速
(3)热处理：晶界颗粒状析出；弯曲（锯齿状）晶界
固溶处理组织
锯齿状晶界
固溶+时效处理组织
裂纹终止于晶界析出物
4 碳化物和氧化物强化
增加碳化物的含量和它的弥散度有 利于提高强化效果，在合金中加入细小 的氧化物颗粒，成弥散分布，起到阻碍 位错运动的作用，提高强度。
氧化物弥散强化粉末冶金 (Alloy MA754)
氧化物弥散强化Ni 粉末冶金(TD Ni)
温度(℃)
涡轮叶片的微观与宏观组织
等轴多晶体
定向凝固柱状晶 单晶
3、机械合金化高温合将元素或合金粉末机械混合、
均匀分布以实现合金化。适
用于生产氧化物弥散强化合
金、 非晶、超饱和固溶体及
2.1 定向凝固（DS） 60年代初期由F. L. Varsnyder发明.
铸件在凝固过程中定向散热，结晶 前沿维持正向温度梯度。当金属液 体注入壳型时，首先在水冷铜板板 面上形成一层结晶，各晶粒位向混 乱。在随后凝固过程中，由于冷却 板的定向散热, 使具有<110>方向的 晶粒择优长大(立方晶系金属及合金 在结晶过程中<110 >是择优方向)。
高温合金还是火箭发动机
和燃气轮机高温热端部件
神 舟
的不可替代的材料。
五
号
70年代以来，高温合金在
原子能、能源动力、交通
运输、石油化工、冶金矿
山、玻璃建材等诸多民用
工业部门得到推广应用。
利用高温合金的高温耐磨和耐蚀性能，其在湿腐蚀 的环境下的应用将越来越广泛。
高温合金的编号
我国变形高温合金的编号为GH+四位数字，如GH4037。 第一位数字表示分类号，即： 1—表示固溶强化型铁基合金； 2—表示时效硬化型铁基合金； 3—表示固溶强化型镍基合金； 4—表示时效硬化型镍基合金； 5—表示固溶强化型钴基合金； 6—表示时效硬化型钴基合金。 第二、三、四位数字表示合金的编号。
5 工艺强化
定向凝固 粉末冶金 快速凝固
高温合金的新发展
真
㈠ 工艺方面
空
自
1、真空熔炼技术
耗
炉
50年代初由 F. D. Daramava发
明。真空熔炼可大大减少有害
杂质含量，有效控制活性元素,
真
精确控制合金成分，也可直接 空
感
浇注成复杂形状铸件。
应
炉
冶炼工艺 ：真空冶炼
真空电弧炉
国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图
镍基高温合金主要特点： 1、高温强度高：镍基高温合金中的强化相’数量
可高达60-65%（体积百分数），因而强化效果显著。
’
Ni基合金组织
’中的位错对
2、组织稳定性高：FCC 基体，不易产生有害相， ’数量大且与基体共格 性好，性能对尺寸的影 响不敏感。
Al、Ni及其化合物的晶格常数
液态Ni基合金喷射雾化
纳米材料.
机械合金化高温合金件
高温合金粉末
氧化物弥散强化(ODS)合金是采用独特的机械合金 化(MA)工艺, 超细的(小于50nm )在高温下具有超 稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体 中, 而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在 接近合金本身熔点的条件下仍可维持, 具有优良的 高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能。
这类合金发展迅速，其使用温度以平均每年10℃的
速度提高。目前先进航空发动机的燃气进口温度已
达1370℃，发动机的推力也由40年代的363kg 提高
到目前的29.5 吨。高温
合金已广泛用于航空航
天发动机、民用燃气轮
机及核动力系统的耐热
部件。
航空发动机
最早的高温合金是在80Ni-20Cr电工合金的
基础上加入少量Ti和Al来提高蠕变强度。随高
2.3 DS及SC合金的性能 DS技术一般可稍稍提高b，但大大改善合金的塑
性。DS叶片比普通铸造叶片疲劳寿命提高8倍，持 久寿命提高2倍，持久塑性提高4倍。SC叶片则比 普通铸造叶片持久寿命提高4倍。DS及SC合金的 弹性模量较小，因而热疲劳性能可以提高10倍以 上。此外，由于SC合金无晶界，因而不含晶界强 化元素，如C、B、Zr、Hf等，从而提高了合金的 初熔温度，而使其固溶温度提高。
定向凝固（DS）
树枝状凝固
定向凝固组织
纵剖面 横切面
2.2 单晶法（SC） 单晶法也属于定向结晶，出现于70年代末。 与定向
凝固不同的是增设了一个单晶选择器，通过一系列 小直径向上角度的生长道路,几个一定取向的晶粒长 大了。进一步竞争使生长速度最快的一个晶粒脱颖 而出，同时堵塞了其它晶粒生长的道路。
民用飞机发动机
蜗轮发动机结构
1 固溶强化 高温合金中的主要固溶强化元素有W、Mo、Co、
Nb、Ta等。其主要作用是：⑴ 产生晶格畸变，在
0.6T熔以下， 2GC（ -屈服强度增量，-晶
格失配度，C-溶质浓度）。⑵ 降低堆垛层错能，使 位错运动困难。⑶ 降低扩散能力。
2 第二相强化 除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相
铸造压气机叶片
铸造一级涡轮盘(MAR M 247合金)
高温合金的性能特点
一、高的高温强度 （蠕变强度、持久强度、热疲劳强度、松弛）
材料强度比较
二、高的抗高温氧化和热腐蚀的能力
在高温下，合金会与环境介质中的氧发生反应（氧
化）或与沉积在其上的盐及灰粉等发生作用（热腐
蚀）。提高高温合金抗氧化和热腐蚀的能力将延长
其使用寿命。可通过 合金化或表面涂敷解
乙烯裂解炉管 的热腐蚀减薄
决，常用的合金元素
为Cr、Al、Si等。
合金在700℃H2S中暴露360h的腐蚀比较
Fe-18Cr-8Ni-2Mn-1Si
Fe-16Cr-16Ni-2Mn-1Mo-2Si
为了保证高温合金具有高的高温性能，采取了 三个基本强化手段—固溶强化、第二相强化、 晶界强化 。
金系列和科研、生产基地，保证了我国国防工业及民
用工业对高温合
金的需求。我国
已成为继美、俄、
英之后第四个高
温合金独成体系 的国家。
真空感应炉
高温合金主要用于航空发动机, 在现代航空发动机中, 高温合金材料的用量占发动机重量的40~60%，甚至 更高。没有高温合金, 就不可能有高速、高效率、安 全可靠的现代航空事业。在航空发动机中高温合金主 要用于四大热端部件, 即：导向器、涡轮叶片、涡轮 盘和燃烧室.
高温合金
（Superalloys）
高温合金
高温合金的定义和现状 高温合金的分类及编号 高温合金的性能要求 高温合金的新发展
所谓高温合金是指为在承
哥
受相当严酷的机械应力和
伦 比
要求良好的表面稳定性的
亚 号
环境下进行高温(>600℃)
航 天
服役而研制的一种合金。
飞 机
高温合金起源于40年代第二次世界大战期间。此后
几种高温合金的蠕变强度的比较
析出硬化变形 合金(Alloy 718)
固溶强化变形合金(Alloy X)
单晶(CMSX-4) 定向凝固(MAR M-200) 析出硬化铸造合金(Alloy B-1900) 析出硬化铸造合金(IN-738) 析出硬化变形合金(Alloy 115) 析出硬化变形合金(Waspaloy)
从80年代起，美国、日本、德国、英国开始投以巨 资对TBC涂层的化学配方、粘结工艺等进行系统的 研究，并成功地应用于军用飞机、电力发电等方面.
等离子热喷涂 获得的高温合 金热障涂层
等离子热喷涂
示意图
㈡ 材料方面 1、低偏析高温合金
燃气轮机用高温合 金，由于合金化程
度的不断提高，凝
固偏析日趋严重， 镍基合金(涡轮叶片材料)发展史
4、热障涂层（Thermal Barrier Coatings） 由Bernstein等人发明。目的为了阻碍燃气热量传导
到叶片内风冷空气中，以提高高温合金使用温度和 发动机热效率。目前采用真空热压箔、物理气相沉 积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次 的微叠层复合材料。微叠层纳米热障涂层可望将耐 温能力提高260℃。