第6章 高温合金

第6章高温合金

6.1 高温合金材料

一般指在600℃以上承受一定应力条件下工作的合金材料。它不但有良好的高温抗氧

化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能。它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料（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的重要高温结构材料。

高温合金是由镍铬电阻合金发展起来的。英、美等国都开始于20世纪30年代末期。英国蒙德（Mond）镍公司从1941年开始研制了Nimonic合金系列，其中Nimonic80A是最早发展的以Ni3(Al,Ti)强化的涡轮叶片材料。50年代初，中国开始研制航空涡轮喷气发动机。1956年，中国研制成功了第一个高温合金，到80年代已有84个定型牌号。60多年来，高温合金的发展速度很快，工作温度从700℃提高到1100℃左右，经历了不同的发展阶段。50年代，真空冶金工艺的实用化促进了合金系了的发展。直至70年代初，通过合金化研制和发展了一系列性能从低到高的不同高温合金，满足了各种使用要求。随着合金化程度的提高，出现了一些难以解决的问题，如脆性拓扑密排相（TCP相）的析出使材料脆化、合金中铬含量下降导致耐蚀性下降等。合金成分的发展已接近极限，要通过成分的调整大幅度地提高材料性能已不可能。70年代末期以来，高温合金材料的发展主要通过研究和开发新工艺、新技术，其目标仍是进一步提高工作温度，改善高温或中温下承受载荷的能力，改善综合性能，延长使用寿命。定向凝固铸造高温合金和单晶铸造高温合金作为先进航空发动机涡轮叶片材料已得到广泛的应用。单晶合金中取消添加不必要的晶界强化元素碳、硼、锆等以提高合金的熔点。氧化物弥散强化高温合金利用高温下稳定的氧化物颗粒进行强化，因而在高温是仍能保持很高的蠕变强度。

6.2 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。

变形高温合金的合金化程度相对较低，因而高温强度也较低，但综合性能好，有较好的热加工塑性，也可通过热变形加工成不同形状的部件；铸造高温合金的合金化程度高，高温强度高，但难于或不可能进行热加工变形，因而采用精密铸造制成部件；粉末冶金高温合金是20世纪70年代发展起来的新材料，采用液态金属喷雾化喷粉或高能球磨机制粉，因此

晶粒组织细小，偏析基本得到消除，所以热加工性得到显著改善，可以将难于变形的铸造高温合金转变成变形高温合金，制成高性能涡轮盘；发散冷却高温合金是金属粉末或丝网压制而成的多孔材料，冷却介质在多孔体表面形成稳定而连续的附面层，起到隔热冷却的效果，能在高达3500℃的极端高温下工作，通常作火箭发动机的喷注器面板。

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。

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。

6.2.1 镍基高温合金

(1) 镍基变形高温合金

以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH” 加序

号表示，如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段

加工成材。镍基变形高温合金在整个高温合金材料领域中占有特殊重要的地位，广泛地用

来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘

和燃烧室等。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合

金和强时效强化镍基变形高温合金3类。

成分特点铬在镍基变形高温合金中的主要作用是增加抗氧化及耐蚀能力。20世纪40~50年代发展的镍基变形高温合金中铬含量高达18%~20%，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%~12%。过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力。固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素。弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。在强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。

组织特点镍基变形高温合金中主要的强化相是γ´(Ni3A1)相，含量达20%~55%左右。另一类强化相是γ˝(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡献远大于γ´相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。

加工方法变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含γ´相很高的强时效强化

镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工

工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。也采用加镁微合金化和

弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。

(2) 镍基铸造高温合金

以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、K2等。随着使用温度

和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造

工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺

才能生产。这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。

①添加元素

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，有的合金高达60%；加入钴能提高γ´相的溶解温度，从而提高了合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界强化作用的碳

化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ´相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；

加铪改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。工业燃气轮机使

用的燃料中含硫、钒较高，长期工作时对合金产生严重的热腐蚀。如果燃气轮机使用在舰

船上，海洋气氛中的钠盐会加速硫化腐蚀。因此，采取适当提高铬含量和钛、铝的比例以

及难熔金属元素的含量，研制出了一系列既能保持高蠕变强度又能增进耐热腐蚀抗力的合金。

②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的最关键的高温部件，如

涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。

镍基铸造高温合金也存在一些缺点，如疲劳性能稍差、塑性较低、组织稳定性有所下降；由于存在疏松，性能波动较大。为了减轻这些缺点，1968年在美国首先研制了高硼

低碳镍基铸造高温合金。在镍基铸造高温合金其他元素不变的情况下，仅将硼含量提高

10~20倍，碳含量下降到0.01%~0.03%，而使合金的强度和塑性提高、疏松减少，提高了

组织长期稳定性等。这类合金已在美国获得实际应用。

6.2.2 铁基高温合金

(1) 铁基变形高温合金

以铁为主要成分的变形高温合金。中国在发展变形高温合金时，因镍资源比较缺乏，进行了以铁代镍的研究，发展了铁基变形高温合金系统。根据强化特征可分为3个类型：固溶强化铁基变形高温合金（900℃以下使用）、碳化物强化铁基变形高温合金（650℃以下使用）、时效强化铁基变形高温合金(800℃以下使用)。为了保证耐热抗氧化性能，通常铁基变形高温合金的含铬量均在12%以上。有些作为板材的固溶强化铁基变形高温合金，为了得到优良的抗高温氧化和耐腐蚀性能，将铬含量提高到20%。有些时效强化铁基变形高温合金中镍含量增加较多，使铁的含量降低到40%~50%以下，所以严格地说，这些合金应当是铁镍基变形高温合金或铁镍铬基变形高温合金。

(2) 铁基铸造高温合金

以铁为主要成分的铸造高温合金。它是一类可在600~850℃温度、一定应力和氧化、腐蚀条件下应用的奥氏体合金。因为含有较多镍，又称为铁镍基铸造高温合金。铁基铸造高温合金大多是从铁基变形高温合金演变来的。由于铁基铸造高温合金常于中温应用、工艺简单