高温合金的应用与发展
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高缓慢，采用冷却系统可有效的降低叶片温度。
空心叶片制造工艺：增加了制芯和去芯工艺
4 单晶叶片 Al2O3 F AlF63
4.4 熔模铸造空心叶片
陶瓷型芯选用条件：
两种型芯比较：
★足够的耐火度
氧化硅基型芯在使用温度超过1500-1550℃时，
★与合金的不相容性
型芯会与合金中元素反应，影响叶片质量。
强化方式 固溶强化 沉淀强化 弥散强化
固溶强化 添加钴、铬、钨、钼、铌、钽等元素提高原子间结合力、 产生点阵畸 变、短程有序及其它原子偏聚，阻止位错运动 。
3 高温合金的强化机理及制备工艺
3.1 高温合金的组织和强化方式
沉淀强化 添加铝、钛、铌、钽、铪等形成共格稳定金属间化合物Ni 3(Al,Ti)。
晶界强化 添加微量的硼、镁、锆和稀土等吸附在晶界的元素，形 成局部合金化，减缓晶界扩散、强化晶界。
总结：高温合金针对不同的强化方式，添加不同的金属，使其合金 比几乎达到极限，也使其熔炼、凝固、热处理以及检测变的很复杂。
3.2高温合金的设计方法及工艺
3.2.1设计方法
1 理论
针对控制TCP析出相而展开的平均电子空位法、d-电子理论法以及在电子和 原子层次上利用计算机、人工智能和最优化方法对材料行为进行计算机模拟 设计的方法。
2 实验+经验
“炒菜法” 添加不同元素和改变含量来进行实验设计。美国和俄罗斯作为 世界两大高温合金研究生产与应用强国，更多的是依靠实验来进行合金设计 的。
3.2高温合金的设计方法及工艺
3.2.2 工艺及装置
工艺：两次熔炼—母材熔炼和重熔。母材熔炼获得所要求的化学成份。重熔
的目的是为了进一步精炼及控制钢锭的凝固过程，得到气体、夹杂物含量很低 和结晶组织较好的钢锭。
大尺寸L-650MM单晶叶片制造自动化装置УВНК-14
4 单晶叶片
4.6 DD3单晶
DD3是我国第一代单晶合金，力学性能与美国单晶 PWA1480相当。由 于不含Re、Ta、Hf成本较低，已成为航空涡轮发动机叶片材料。
17、DD402、DD3等。
涡轮盘 国内首创用K136合金电渣熔铸涡轮盘。
2 高温合金的应用
2.2 民用高温合金
工业燃气轮机 工业燃气轮机叶片应用最广的是K438（IN738）， 美国Cannon-Muskegon公司开发了应用于工业燃气轮机涡轮叶 片的单晶高温合金CMSX-11B和CMSX-11C。
德阳东汽铸造有限公司
实心叶片熔模铸造工艺：制模样-组装浇冒系统-制壳-脱蜡焙烧-浇注-清理
熔模产品：
选晶器：
结晶沿螺旋方向攀旋近180º时便可 得到单一晶粒
D=3-5mm
螺旋选晶器 缩颈选晶器 单晶叶片型壳
4 单晶叶片
4.4 熔模铸造空心叶片
↑ ↑ 空心叶片产生原因：发动机推重比和效率 燃气温度 ，但是叶片承温能力提
石油化工 石油煅烧工厂燃气炉部件、乙烯裂解炉及管道、核反应 堆、煤的气化和燃烧、玻璃纤维制造中的熔化器、旋转部件、 热交换器、氨气的裂解、二氯乙烯生产炉、乙烯基氯化物单体 生产工厂等（玛努尔公司）。
2 高温合金的应用
2.2 民用高温合金
冶金 加热钢材的热交换器、回转炉及炉内部如炉辊、挂钩、衬板、 法兰、传动杆、铝熔化炉的热交换器、气体渗碳炉部件等。
设备：真空感应炉+电渣重熔（原理、优点、局限性）
带流槽的真空感应炉
单相双极电渣炉
4 单晶叶片
4.1 定向凝固和单晶产生的原因
原因：其它材料以及普通高温合金的性能无法满足航空、航天等领域 对高性能材料的需求。
航空发动机涡轮叶片的运行表明，绝大部分叶片裂纹都是沿垂直于 叶片主应力方向的晶界即横向晶界上产生和发展的。因此消除横向 晶界可大大提高叶片抗裂纹生长的能力。基于此思想，采用定向凝 固，获得与叶片轴平行的只有纵向晶界的柱状晶。在此基础上，采 取特定的方法消除一切晶界，便可得到单晶叶片。
其他应用 城市垃圾高温分解工厂炉内部件、垃圾焚烧工厂热交换 器和加热管、纸浆和纸张工业炉内部件和加热管、陶瓷煅烧窖 内部件等。
3 高温合金的强化机理及制备工艺
3.1 高温合金的组织和强化方式
组织结构 γ+ γ’+多种碳化物 γ为基体，是面心立方结构的奥氏体 γ’为金属间化合物Ni3(Al,Ti)等
4 单晶叶片
4.2 定向凝固
原理：控制热流方向从而建立定向温度梯；阻止新的晶核形成
方法：发热铸型法、功率降低法、高速凝固法 、液态金属冷却法
温度梯度7-11℃/cm，生长速率8-12cm/h 功率降低法
温度梯度26-30℃/cm，生长速率23-27cm/h 高速凝固法
ห้องสมุดไป่ตู้ 4 单晶叶片
4.3 熔模铸造实心叶片
按基体高温合金可分为镍基、铁基和钴基三类
2 高温合金的应用
2.1 航空、航天
德阳东汽铸造有限公司
航空涡轮发动机结构
燃烧室 主要用材为GH1140等。
GE航空涡轮发动机
导向器（导向叶片） 精密铸造合金有K214、K232、K406等，定向凝固有DZ3、
DZ5等。
涡轮叶片 工作条件最为恶劣，受力复杂。用材：GH4033、GH4037，K403、K4
★与壳型相匹配的线膨胀系数
氧化铝基型芯结构更稳定，耐高温性更好，
★能用化学方法去除
更适合单晶浇注（1540-1620℃) 。但其制作、
去芯较为复杂。
一般采用氧化硅基型芯和氧化铝基型芯
陶瓷型芯去除：
氧化硅基型芯 浇注完成后用碱液腐蚀掉
氧化铝基
辅以高压水冲洗
4 单晶叶片 Al2O3 F AlF63
高温合金的应用与发展
高温合金的应用与发展
1 高温合金的简介 2 高温合金的应用 3 高温合金的强化机理及制备工艺 4 定向凝固和单晶叶片 5 总结
1 高温合金的简介
名称：热强合金、耐热合金或超合金(Superalloy) 产生：主要是为满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的 特点：较高的高温强度、塑性；优异的抗氧化、抗热腐蚀性；良 好的热疲劳性、断裂韧性；良好的组织稳定性和使用可靠性 分类：按成型方式可分为变形高温合金、铸造高温合金（定向、 单晶、共晶）
4.5 单晶制造设备
技术指标 :
1 采用液态金属（熔点低、沸点 高）冷却器代替传统的辐射冷却， 提高温度梯度。 2 该设备可以保证叶片在1650℃ 的高温下进行精确几何的浇注.
3 半断续工作真空熔化—浇注装
置,并设有自动控制的浇注系统， 可以得到长度250мм的叶片（УВ НК-9）和650мм叶片（УВНК-14）
空心叶片制造工艺：增加了制芯和去芯工艺
4 单晶叶片 Al2O3 F AlF63
4.4 熔模铸造空心叶片
陶瓷型芯选用条件：
两种型芯比较：
★足够的耐火度
氧化硅基型芯在使用温度超过1500-1550℃时，
★与合金的不相容性
型芯会与合金中元素反应，影响叶片质量。
强化方式 固溶强化 沉淀强化 弥散强化
固溶强化 添加钴、铬、钨、钼、铌、钽等元素提高原子间结合力、 产生点阵畸 变、短程有序及其它原子偏聚，阻止位错运动 。
3 高温合金的强化机理及制备工艺
3.1 高温合金的组织和强化方式
沉淀强化 添加铝、钛、铌、钽、铪等形成共格稳定金属间化合物Ni 3(Al,Ti)。
晶界强化 添加微量的硼、镁、锆和稀土等吸附在晶界的元素，形 成局部合金化，减缓晶界扩散、强化晶界。
总结：高温合金针对不同的强化方式，添加不同的金属，使其合金 比几乎达到极限，也使其熔炼、凝固、热处理以及检测变的很复杂。
3.2高温合金的设计方法及工艺
3.2.1设计方法
1 理论
针对控制TCP析出相而展开的平均电子空位法、d-电子理论法以及在电子和 原子层次上利用计算机、人工智能和最优化方法对材料行为进行计算机模拟 设计的方法。
2 实验+经验
“炒菜法” 添加不同元素和改变含量来进行实验设计。美国和俄罗斯作为 世界两大高温合金研究生产与应用强国，更多的是依靠实验来进行合金设计 的。
3.2高温合金的设计方法及工艺
3.2.2 工艺及装置
工艺：两次熔炼—母材熔炼和重熔。母材熔炼获得所要求的化学成份。重熔
的目的是为了进一步精炼及控制钢锭的凝固过程，得到气体、夹杂物含量很低 和结晶组织较好的钢锭。
大尺寸L-650MM单晶叶片制造自动化装置УВНК-14
4 单晶叶片
4.6 DD3单晶
DD3是我国第一代单晶合金，力学性能与美国单晶 PWA1480相当。由 于不含Re、Ta、Hf成本较低，已成为航空涡轮发动机叶片材料。
17、DD402、DD3等。
涡轮盘 国内首创用K136合金电渣熔铸涡轮盘。
2 高温合金的应用
2.2 民用高温合金
工业燃气轮机 工业燃气轮机叶片应用最广的是K438（IN738）， 美国Cannon-Muskegon公司开发了应用于工业燃气轮机涡轮叶 片的单晶高温合金CMSX-11B和CMSX-11C。
德阳东汽铸造有限公司
实心叶片熔模铸造工艺：制模样-组装浇冒系统-制壳-脱蜡焙烧-浇注-清理
熔模产品：
选晶器：
结晶沿螺旋方向攀旋近180º时便可 得到单一晶粒
D=3-5mm
螺旋选晶器 缩颈选晶器 单晶叶片型壳
4 单晶叶片
4.4 熔模铸造空心叶片
↑ ↑ 空心叶片产生原因：发动机推重比和效率 燃气温度 ，但是叶片承温能力提
石油化工 石油煅烧工厂燃气炉部件、乙烯裂解炉及管道、核反应 堆、煤的气化和燃烧、玻璃纤维制造中的熔化器、旋转部件、 热交换器、氨气的裂解、二氯乙烯生产炉、乙烯基氯化物单体 生产工厂等（玛努尔公司）。
2 高温合金的应用
2.2 民用高温合金
冶金 加热钢材的热交换器、回转炉及炉内部如炉辊、挂钩、衬板、 法兰、传动杆、铝熔化炉的热交换器、气体渗碳炉部件等。
设备：真空感应炉+电渣重熔（原理、优点、局限性）
带流槽的真空感应炉
单相双极电渣炉
4 单晶叶片
4.1 定向凝固和单晶产生的原因
原因：其它材料以及普通高温合金的性能无法满足航空、航天等领域 对高性能材料的需求。
航空发动机涡轮叶片的运行表明，绝大部分叶片裂纹都是沿垂直于 叶片主应力方向的晶界即横向晶界上产生和发展的。因此消除横向 晶界可大大提高叶片抗裂纹生长的能力。基于此思想，采用定向凝 固，获得与叶片轴平行的只有纵向晶界的柱状晶。在此基础上，采 取特定的方法消除一切晶界，便可得到单晶叶片。
其他应用 城市垃圾高温分解工厂炉内部件、垃圾焚烧工厂热交换 器和加热管、纸浆和纸张工业炉内部件和加热管、陶瓷煅烧窖 内部件等。
3 高温合金的强化机理及制备工艺
3.1 高温合金的组织和强化方式
组织结构 γ+ γ’+多种碳化物 γ为基体，是面心立方结构的奥氏体 γ’为金属间化合物Ni3(Al,Ti)等
4 单晶叶片
4.2 定向凝固
原理：控制热流方向从而建立定向温度梯；阻止新的晶核形成
方法：发热铸型法、功率降低法、高速凝固法 、液态金属冷却法
温度梯度7-11℃/cm，生长速率8-12cm/h 功率降低法
温度梯度26-30℃/cm，生长速率23-27cm/h 高速凝固法
ห้องสมุดไป่ตู้ 4 单晶叶片
4.3 熔模铸造实心叶片
按基体高温合金可分为镍基、铁基和钴基三类
2 高温合金的应用
2.1 航空、航天
德阳东汽铸造有限公司
航空涡轮发动机结构
燃烧室 主要用材为GH1140等。
GE航空涡轮发动机
导向器（导向叶片） 精密铸造合金有K214、K232、K406等，定向凝固有DZ3、
DZ5等。
涡轮叶片 工作条件最为恶劣，受力复杂。用材：GH4033、GH4037，K403、K4
★与壳型相匹配的线膨胀系数
氧化铝基型芯结构更稳定，耐高温性更好，
★能用化学方法去除
更适合单晶浇注（1540-1620℃) 。但其制作、
去芯较为复杂。
一般采用氧化硅基型芯和氧化铝基型芯
陶瓷型芯去除：
氧化硅基型芯 浇注完成后用碱液腐蚀掉
氧化铝基
辅以高压水冲洗
4 单晶叶片 Al2O3 F AlF63
高温合金的应用与发展
高温合金的应用与发展
1 高温合金的简介 2 高温合金的应用 3 高温合金的强化机理及制备工艺 4 定向凝固和单晶叶片 5 总结
1 高温合金的简介
名称：热强合金、耐热合金或超合金(Superalloy) 产生：主要是为满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的 特点：较高的高温强度、塑性；优异的抗氧化、抗热腐蚀性；良 好的热疲劳性、断裂韧性；良好的组织稳定性和使用可靠性 分类：按成型方式可分为变形高温合金、铸造高温合金（定向、 单晶、共晶）
4.5 单晶制造设备
技术指标 :
1 采用液态金属（熔点低、沸点 高）冷却器代替传统的辐射冷却， 提高温度梯度。 2 该设备可以保证叶片在1650℃ 的高温下进行精确几何的浇注.
3 半断续工作真空熔化—浇注装
置,并设有自动控制的浇注系统， 可以得到长度250мм的叶片（УВ НК-9）和650мм叶片（УВНК-14）