先进高温材料的研究现状和展望①

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采用高能球磨合金成功制备了一种弥散强化的高温合 金ＭＡ６０００，它含有１．１％Ｙ２０，，其热疲劳性能和持久 强度明显优于定向凝固合金和单晶合金…。
当前对高温结构陶瓷的研究主要集中于ｓｉｃ、 ｓｉ，Ｎ。、Ａ１，ｏ，和ｚｒ０：等，它们有良好的高温强度，已经 在航空涡轮发动机等方面得到了应用”ｏ。在众多的陶 瓷材料中，以ｓｉ，Ｎ。高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，非常适于制作航天发动机涡 轮转子叶片等高温承力部件”１’“１。目前，国外已把 ｓｉ３Ｎ。陶瓷材料作为高温结构的首选陶瓷材料在军用 和民用领域进行广泛、重点的研究与开发。
的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。 高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗热 腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。高温 台金为单一奥氏体基体组织，在各种温度下具有良好 的组织稳定性和使用的可靠性，且其合金化程度很高。 高温合金主要用于固体火箭发动机及燃气轮机的４大 热端部件，即导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。就 当今高温环境使用的高温合金来看，镍基高温合金的 使用范围远远大于铁基和钴基高温合金。 较早的高温合金是在８０％Ｍ＋２０％ｃｒ合金基础 上发展起来的锻造镍基高温合金ＮｉⅡ１０ｎｉｃ８０Ａ，通过添
３难熔金属 难熔金属（ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、№和ｚｒ等）及其合金，由于
具有熔点高、耐高温和抗腐蚀强等突出优点，从２０世 纪５０年代以来，一直被列入重要航天材料之一，应用 领域涉及到固、液火箭发动机．重返大气层的航天器， 航天核动力系统等方面”１。钨具有非常高的熔点，具 有很好的抗烧损和抗冲刷能力，常用作长时间工作的 小型发动机的喉衬，美国还将其用于北极星Ａ＿１、Ａ＿２， 民兵Ｉ一Ⅲ型等导弹的燃气舵。而钼因为熔点较低， 只适用于尺寸较小、推进剂能量较低的发动机，以及应 用在火箭发动机辐射冷却燃烧室。在早期的发动机推 力矢量控制中也曾采用钼制造的燃气舵，但烧蚀严重。 为了减轻纯钨高温结构材料的重量和弥补纯钼材料烧 蚀性能不佳的缺点，在钨中添加不同含量铝的钨钼台 金得到了较为广泛的研究和应用，钼含量的增加可提 高抗热震性能，但熔点降低，烧蚀率增加”１。Ｒｏｓ“一 ｓｔｅｉｎ采用快速凝固工艺已经获得了含有Ｂ或Ｎ的过 饱和Ｎｂ基难熔合金，通过后续热处理析出纳米颗粒来 阻碍位错运动而达到强化目的，实验研究表明在温度 达到２ ２００℃时，Ｎｂ基合金仍旧保持良好的性能”１，Ｎｂ 基难熔合金已用于小型液体火箭发动机”１。在难熔金 属及其合金中，目前研究和使用较多的是钨渗铜材料， 由钨粉烧结成多孔钨骨架，再经高温熔渗铜，形成钨渗 铜二元假合金。这种双组分金属复合结构部件在灼热 的燃气流中工作时，可使钨骨架结构中所渗透的铜熔 融、汽化，并从钨骨架中逸出。这种金属相变化需要吸 收大量的热量而产生冷却效应，加上铜良好的导热性， 使部件起到冷却降温效果，以致部件可保持原有的工 作特性而满足控制系统的要求。类似钨渗铜的高温材 料还有钨渗银、钼渗铜等。
ｉ“ｇ Ａ，１９９１，１４３：３ｌ＿４１．
ｌｏ先进高温材料的发展趋势
先进高温材料主要有如下发展趋势： ａ．将纳米技术引入先进高温材料的研究中，先进 高温材料经过纳米材料复合后，强度韧性将会得到显 著改进，其高温力学性能尤其明显，可望成为解决
Ｌ
［９］傅恒志，朱明，杨尚勤．空天技术与材料科学［Ｍ］．北京： 清华大学出版社；广州：暨南大学出版社，２０００：２２７－２３４． ［１０］
２高温合金
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在６００℃以上
ｃｒ＿２％哺０。），然而由于ＴｈＯ。具有放射性，对人体有 害，通常选用Ｙ。ｏ。来代替ＴｈＯ：…。美国国际镍公司
①收稿日期：２００１—１２－３０；修回日期：２００２—０４－１９。 作者简介：徐强（１９７６一），男，博士，从事复合材料研究。
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２０４℃。
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ｌ引言
固体火箭的工作环境十分恶劣，加力燃烧室喷管、 喉衬、涡轮叶片、导向叶片、燃气轮机等部件都与高温 材料有着密切的关系，对固体火箭发动机喷管喉部和 其它热端部件提高效率的追求，已经对未来高温材料 提出了更高、更迫切的要求，并更紧密地依赖于高温材 料的研究开发，高温材料已经成为航天先进材料中的 优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。 已经研制和开发出的先进高温材料有：高温合金、 难熔金属、陶瓷、金属问化合物、金属基复合材料、陶瓷 基复合材料、ｃ／Ｃ复合材料和梯度功能材料等。
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系和Ｎｉ—ｃｒ－Ａ１蜀一ｗ—Ｍｏｏａ系合金。但随着发动机性
能的不断提高，镍基高温合金的使用温度已经接近极 限，用改变其舍金成分来提高使用温度已非常困难。 为了满足固体火箭发动机的使用要求，高温台金的发 展重点已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固 高温合金和单晶高温合金，并向弥散强化高温合金和 纤维增强的高温合金发展。单晶高温合金已由第一代 合金（如ＰｗＡｌ４８０、ｃＭｓｘ－２、ｓＲＲ９９、揪ｃ＿６Ｙ等）和第 二代台金（如ＰｗＡｌ４８４、ｃＭｓｘ４、ＲｅｎｅⅣ４、ＭｘＯＮ等） 发展到含有５％～７％Ｒｅ的第三代单晶合金（如ｃＭ— ｓｘ一１０、ＲｅｎｅＮ６等），其工作温度已达到１
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目前研究用于高温材料的梯度功能材料体系主要 有：ｓｉｃ—ｃ、ＴｉＢ２一ｃｕ、ＴｉＢ２一Ｎｉ、ｗ—ｃｕ和ｃｕ—Ｂ４ｃ等。
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５金属闯化合物
由于金属间化合物具有比重轻、强度高以及高温 力学性能和抗氧化性优异等特点，同时金属间化合物 又具有金属键和共价键共存的特性，其使用温度可介 于金属超合金和陶瓷之间（１
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４００℃），与陶瓷
相比又具有较低的脆性，是２０世纪９０年代发展起来 的新型高温结构材料。但并非所有的金属问化合物都 能成为高温结构材料，其中具有铍化物、铝化物和硅化 物才符台新型高温结构材料的要求，但由于铍化物具 有一定的毒性而限制了它的应用。 金属间化合物具有作为高温结构材料的特殊优 点，许多金属问化合物的强度在一定的温度范围内随 温度升高不是连续下降，而是升高或保持不变。这种 强度随温度升高而提高是一种反常的强度一温度关系， 完全不同于传统金属材料的强度随温度升高不断下降 的关系。这一发现推动了在金属间化合物形变特性和 屈服强度反常温度关系方面新的理论模型和机制的研
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４陶瓷
陶瓷具有高温强度高、熔点高、热稳定性好、热膨 胀系数较小、抗氧化性好、密度低、硬度大、耐磨、资源 丰富、价格低廉等特点。陶瓷的共价键结合结构在高 温下具有按强度、刚度、硬度和耐磨性要求而调整结合 的能力，而且密度较低（约为高温合金的１／３）。陶瓷 的主要缺点是脆性大，而且成形过程中内部会形成许 多能引发破坏的微裂纹，因而材料的强度分散系数很 大，使用可靠性低，所以改善韧性，提高抗脆性断裂的 能力，是现在陶瓷研究的重点内容。
究”“。日本科学家ＩⅫｉ发现加硼可以大大提高
Ｎｉ，Ａｌ金属间化台物的塑性，为解决金属间化合物的脆 性问题提供了可能性”“。 国内外对ＴｉＡｌ、ＴｂＡｌ、ＮｉＡｌ、Ｎｉ３Ａｌ、ｃｏＡｌ、ＦｅＡｌ等许 多铝化物进行了研究。其中，ＴｉＡｌ和Ｔｉ３ Ａｌ基金属间化 合物较Ｔｉ合金有明显优越的高温性能，可以替代７００ —９００℃镍基高温合金，发动机重量可减轻一半，效益 很大，因而受到广泛重视，肌Ａｌ和Ｔｉ３Ａｌ基合金已被肯 定为最有希望的金属问化合物结构材料。 解决ＴｉＡｌ合金的低温抗氧化问题的主要方案有： ａ．加入合金元素，对于两相ＴｉＡｌ基合金，合金的 成分可以表达为Ｔｉ一（４６４８）Ａｌ＿ｘＭ—ｙＮ，Ｍ为Ｖ、ｃｒ、Ｍｎ、 Ｎｂ、Ｔａ、ｗ、Ｍｏ的一个或两个元素，Ｎ为Ｂ、Ｓｉ、Ｃ中的一 个元素；ｂ．细晶韧化；ｃ．热处理韧化；ｄ．纳料韧化。 将纳米技术引入金属间化合物结构材料，可以显著提 高金属问化合物的塑性；ｅ．颗粒、晶须和纤维韧化（主 要有ＴｉＢ２、ｓｉｃ、ＴｉＣ、Ｔｉ２Ａｌｃ、Ａｌ：０３、ｗｃ、ＴｉＮ、Ａ１Ｎ、ｓｉ３ Ｎ４ 等陶瓷颗粒，ｓｉｃ晶须、ｓｉｃ和Ａ１２０，纤维）；￡对ｗＡ｝ 基合金进行表面渗碳处理，在基体表面进行粒子束增
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加少量的Ｔｉ和Ａｌ来提高合金的蠕变断裂强度及抗高 温氧化性能。镍基高温合金的发展最初是通过改变合 金成分来提高合金的使用温度，主要有两类：Ｎｉ—ｃｒ—Ａｌ
固体火箭技术
文章编号：１００６－２７９３（２００２）０３珈５Ｉ＿０５
先进高温材料的研究现状和展望①
徐强，张幸红，韩杰才，赫晓东
（哈尔滨工业太学复合材料研究所，哈尔滨１５０００１）
摘要：综述了高温合金、难熔金属、陶瓷、金属闻化合物、金属基 复合材料、陶瓷基复合材料、ｃ／ｃ复合材料和梯度功能材料等 先进高温材料的研究与应用现状，评述了其发展趋势。 关键词：先进高温材料；研究现状；发展趋势 中图分类号：ｖ２５７ 文献标识码：Ａ
氧化物弥散强化高温合金是另一类高温合金，是 将细小的氧化物颗粒均匀地分散于高温合金基体中， 通过阻碍位错的运动而产生强化效果的一类合金。其 突出特点是高温（１
ｏｏｏ—ｌ
３５０℃）下具有较高的强
度。最早的氧化物弥散强化高温合金采用Ｔｌ、０，作弥 散强化相，如ＴＤＮｉ（Ｎｉ一２％Ｔｈ０：）和ＴＬ）Ｎｉｃｒ（Ｎｉ卫Ｏ％
８００９２：７５４９．
６００ｑｃ以上先进高温材料的重要途径。 ｂ．寻找更好的制备工艺，减少制备周期及制备成
本，进一步提高材料的各项性能。 ｅ．建立和完善先进高温材料各项性能指标的测 试、表征技术和评价标准，建立有关先进高温材料的数 据库。 ｄ．探索一些具有特殊性能的可应用于高温环境 的新材料种类，如Ｔｉ３ｓｉｃ：、Ｔｉ：Ａｌｃ和Ｎｉ。Ａｌ－Ｎｉ，Ｎｂ金属 的化合物共晶合金等，同时应研制容易制造和高温氧 化环境中能重复使用的材料。 ｅ．对于某些高温结构材料二次加工比较困难的 问题，同时为了降低陶瓷零件的制造成本，需研究新的 更经济的特种加工技术和近净成形加工工艺。 ￡研究整体结构的先进高温材料用来取代过去采 用的一些复合结构，达到减重的目的。 昏将镏能结构引入先进高温材料中，研究和开发 高温智能材料。 ｈ．先进高温材料的应用研究也要大大加强，同时 应注意根据不同使用温度和环境合理选择不同的先进 高温材料。
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ｗ，毗“｜｛ｉ曲一ｔｅｍＰｅｒ且ｔｕ坤８ｔｎｌｃｔ【ｌｍ ｍａｔｅｄ也［Ｍ］
ｈｎｄ”：Ｃｈ印ｍａＩｌ＆Ｈａｕ，１９９６：５ｌ躺．
［１１］魏邦旭．陶瓷／气相／金属复合结构涡轮转子叶片新设 想与复合材料结构设计［ｃ］．洛阳：第七届发动机结构 强度振动学术会议论文集，１９９４：《．５０． ［１２］ 卢嘉德．固体火箭发动机复合材料技术的进展及其应 用前景［Ｊ］．固体火箭技术，２００１，２４（１）：４６－５２． 【１３］陈国良，林均品．有序金属间化合物结构材料物理金属 学基础［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９９：１＿５． ［１４］陈国良．金属问化合物结构材料研究现状与发展［Ｊ］． 材料导报，２０００，１４（９）：１－５． ［１５］王德志，左铁镛，刘心字．Ｍｏｓｉ，基高温结构材料的研究 现状和发展趋势［Ｊ］．材料导报，１９９７，１ｌ（４）：５４Ｊ６． ［１６］巩林如，译．美国国家航空航天飞机（ＮＡｓＰ）的材料技 术面临挑战【Ｒ］．ｃＦ ［”］