高温合金的分类及应用
高温合金，又称热强合金、超级合金，是指能在高温环境及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，以及优异的高温强度、疲劳强度、蠕变断裂韧性等综合性能。这类合金主要应用于航空航天领域、能源领域和船舶的涡轮发动机等。
一、高温合金的分类
1、按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和钴基。
（1）铁基高温合金又称耐热合金钢，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。铁基高温合金使用温度较低（600~850℃），但其中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易，一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡 、机匣和轴等零件。
（2）镍基高温合金使用温度 （约1000℃），广泛用于制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件，如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等。
（3）钴基高温合金具有良好的铸造性和焊接性，可在700~1050℃高温下使用。它以钴为主要成分，其典型代表是K610，含钴量大于58%。由于钴的价格昂贵、资源短缺，所以国内外很少使用，已有的牌号有K640、K644、GH188等。
2、按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。
（1）变形高温合金
变形高温合金是指将铸锭进行冷、热加工制成各种型材或零件毛坯， 制成热端零件的高温合金，其关键是合金锭具有成形能力。与铸造高温合金相比，变形高温合金合金化程度低，因此，熔点较高，热加工温度上限较高 ，合金再结晶温度较低，降低热加工温度下限，因此，变形高温合金热加工范围较铸造高温合金宽。按基体元素的不同，变形高温合金可分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金和钴基 变形高温合金。
（2）铸造高温合金
铸造高温合金是由合金锭重熔后直接浇注或定向凝固成零件的高温合金，其发展始于20世纪40年代。铸造高温合金不再考虑锻造变形性能，可通过精密铸造方法或定向凝固工艺铸造出形状复杂且有通畅内腔的无余量空心薄壁叶片。因此，铸造高温合金元素总量要显著高于变形高温合金，其中，固溶强化元素增添了Re,Ru等元素，难熔金属元素W的含量提高（有些合金超过10%）沉淀强化合金元素除Al、Ti之外，还加入Nb、Ta、Hf、V等元素。
铸造高温合金按凝固方法分类可分为等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金三类。其中单晶高温合金作为一种新型高温合金，是采用定向凝固工艺消除所有晶界形成的高温合金，金属是由一个个晶体组成，因此称为单晶高温合金。晶界是金属内部各种畸变,缺陷和杂质聚集的地带，晶界在常温下强度高于晶体内部，但高温时易产生滑移，当高温下晶界强度下降高于晶体内部时，金属强度会下降。因此，采用定向凝固技术消除晶界，得到的单晶高温合金性能极好。目前，几乎所有 发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。
（3）粉末高温合金
随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比 航空发动机的涡 ，也用于生产 航空发动机的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。
3、按强化方式分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型等。
（1）固溶强化型
所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能，提高位错分解的倾向，导致交滑移难于进行，合金被强化，达到高温合金强化的目的。
（2）时效沉淀强化
所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理，冷塑性变形后，在较高的温度放置或室温保持其性能的一种热处理工艺。例如：GH4169合金，在650℃的 屈服强度达1000MPa，制作叶片的合金温度可达950℃。
（3）弥散强化型
弥散强化型高温合金具有较高的高温强度和低的应力系数，广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、 航空发动机、石油化工反应釜等。一般都以Y2O3、ThO2、HfO2及ZrO2等氧化物作为第二相弥散指点并高度分散在合金计提中，以达到强化的目的，如MGH754、MA6000E等。
二、高温合金的应用领域
1、航空航天领域
（1）燃烧室
燃烧室是发动机各零部件中工作温度 的区域，燃烧室内燃气温度达到1500-2000℃时，室壁合金承受温度可达800～900℃，局部可达1100℃。近年来，燃烧室采用的高温合金大部分是固溶强化型合金，合金中含有大量 W,Mo,Nb等固溶强化元素，高温强度高、成形焊接性能良好，具有代表性的牌号有GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、 GH3018、GH3022、GH3044、GH3128、GH3170等 。
（2）导向叶片
导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件，也称导向器，是涡轮发动机上受热冲击大的零件之一，尤其是当燃烧室内燃烧不均匀、工作不良时，导向叶片所受热负荷更大， 涡轮发动机导向叶片工作温度可达1100℃。国内导向叶片合金的使用温度可达1000~1050℃, 代表性高温合金精密铸造合金有K214、K233、K406、K417、K403、K409、K408、K423B等。
（3）涡轮叶片
涡轮叶片是航空发动机中工作条件最恶劣的部件，工作环境温度高，使用高温合金材料的典型牌号有GH4033、GH4037、GH4143、GH4049、GH4151、GH4118、GH4220等，可在750-950℃环境中使用。在新机研制和老机种改性时，都选用铸造高温合金制造涡轮叶片。铸造合金典型的牌号有K403、K417、 K417G、K418、K403、K405、K4002等。
（4）涡
涡 在航空发动机部件中所占质量 ，涡 用变形高温合金，一类为铁镍基高温合金，典型的合 号有GH2132、GH2135等，工作温度在650℃以下；另一类为镍基高温合金，典型牌号有FGH4095、FGH4096、FGH4097、FGH4098、GH4196、GH4133、GH4033A、GH4698等，使用温度可达700~800℃。
2、能源领域
高温合金在能源领域中有着广泛的应用。煤电用高参数超临界发电锅炉中，过热器和再过热器必须使用抗蠕变性能良好、在蒸汽侧抗氧化性能和在烟气侧抗腐蚀性能优异的高温合金管材；在气电用燃气轮机中，涡轮叶片和导向叶片需要使用抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金；在核电领域中，蒸汽发生器传热管必须选用抗溶液腐蚀性能良好的高温合金；在煤的气化和节能减排领域，广泛采用抗高温热腐蚀和抗高温磨蚀性能优异的高温合金；在石油和天然气开采，特别是深井开采中，钻具处于4℃-150℃的酸性环境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必须采用耐蚀耐磨高温合金。
结 语
CONCLUSION
近年来，随着对更高效能和更长使用寿命材料的需求增加，高温合金的研发不断取得突破，新材料的开发和传统材料的性能优化成为行业重点。未来，高温合金的发展将更加侧重于创新和应用扩展，如基于铌、钛和锆的合金，将提供更高的耐热性和耐蚀性。同时，高温合金的应用领域将扩展至更多高新技术领域，如深海勘探和太空探索等，应加大对新材料的开发，以满足这些领域对极端条件下材料性能的需求。
一、高温合金的分类
1、按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和钴基。
（1）铁基高温合金又称耐热合金钢，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。铁基高温合金使用温度较低（600~850℃），但其中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易，一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡 、机匣和轴等零件。
（2）镍基高温合金使用温度 （约1000℃），广泛用于制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件，如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等。
（3）钴基高温合金具有良好的铸造性和焊接性，可在700~1050℃高温下使用。它以钴为主要成分，其典型代表是K610，含钴量大于58%。由于钴的价格昂贵、资源短缺，所以国内外很少使用，已有的牌号有K640、K644、GH188等。
2、按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。
（1）变形高温合金
变形高温合金是指将铸锭进行冷、热加工制成各种型材或零件毛坯， 制成热端零件的高温合金，其关键是合金锭具有成形能力。与铸造高温合金相比，变形高温合金合金化程度低，因此，熔点较高，热加工温度上限较高 ，合金再结晶温度较低，降低热加工温度下限，因此，变形高温合金热加工范围较铸造高温合金宽。按基体元素的不同，变形高温合金可分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金和钴基 变形高温合金。
（2）铸造高温合金
铸造高温合金是由合金锭重熔后直接浇注或定向凝固成零件的高温合金，其发展始于20世纪40年代。铸造高温合金不再考虑锻造变形性能，可通过精密铸造方法或定向凝固工艺铸造出形状复杂且有通畅内腔的无余量空心薄壁叶片。因此，铸造高温合金元素总量要显著高于变形高温合金，其中，固溶强化元素增添了Re,Ru等元素，难熔金属元素W的含量提高（有些合金超过10%）沉淀强化合金元素除Al、Ti之外，还加入Nb、Ta、Hf、V等元素。
铸造高温合金按凝固方法分类可分为等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金三类。其中单晶高温合金作为一种新型高温合金，是采用定向凝固工艺消除所有晶界形成的高温合金，金属是由一个个晶体组成，因此称为单晶高温合金。晶界是金属内部各种畸变,缺陷和杂质聚集的地带，晶界在常温下强度高于晶体内部，但高温时易产生滑移，当高温下晶界强度下降高于晶体内部时，金属强度会下降。因此，采用定向凝固技术消除晶界，得到的单晶高温合金性能极好。目前，几乎所有 发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。
（3）粉末高温合金
随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比 航空发动机的涡 ，也用于生产 航空发动机的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。
3、按强化方式分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型等。
（1）固溶强化型
所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能，提高位错分解的倾向，导致交滑移难于进行，合金被强化，达到高温合金强化的目的。
（2）时效沉淀强化
所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理，冷塑性变形后，在较高的温度放置或室温保持其性能的一种热处理工艺。例如：GH4169合金，在650℃的 屈服强度达1000MPa，制作叶片的合金温度可达950℃。
（3）弥散强化型
弥散强化型高温合金具有较高的高温强度和低的应力系数，广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、 航空发动机、石油化工反应釜等。一般都以Y2O3、ThO2、HfO2及ZrO2等氧化物作为第二相弥散指点并高度分散在合金计提中，以达到强化的目的，如MGH754、MA6000E等。
二、高温合金的应用领域
1、航空航天领域
（1）燃烧室
燃烧室是发动机各零部件中工作温度 的区域，燃烧室内燃气温度达到1500-2000℃时，室壁合金承受温度可达800～900℃，局部可达1100℃。近年来，燃烧室采用的高温合金大部分是固溶强化型合金，合金中含有大量 W,Mo,Nb等固溶强化元素，高温强度高、成形焊接性能良好，具有代表性的牌号有GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、 GH3018、GH3022、GH3044、GH3128、GH3170等 。
（2）导向叶片
导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件，也称导向器，是涡轮发动机上受热冲击大的零件之一，尤其是当燃烧室内燃烧不均匀、工作不良时，导向叶片所受热负荷更大， 涡轮发动机导向叶片工作温度可达1100℃。国内导向叶片合金的使用温度可达1000~1050℃, 代表性高温合金精密铸造合金有K214、K233、K406、K417、K403、K409、K408、K423B等。
（3）涡轮叶片
涡轮叶片是航空发动机中工作条件最恶劣的部件，工作环境温度高，使用高温合金材料的典型牌号有GH4033、GH4037、GH4143、GH4049、GH4151、GH4118、GH4220等，可在750-950℃环境中使用。在新机研制和老机种改性时，都选用铸造高温合金制造涡轮叶片。铸造合金典型的牌号有K403、K417、 K417G、K418、K403、K405、K4002等。
（4）涡
涡 在航空发动机部件中所占质量 ，涡 用变形高温合金，一类为铁镍基高温合金，典型的合 号有GH2132、GH2135等，工作温度在650℃以下；另一类为镍基高温合金，典型牌号有FGH4095、FGH4096、FGH4097、FGH4098、GH4196、GH4133、GH4033A、GH4698等，使用温度可达700~800℃。
2、能源领域
高温合金在能源领域中有着广泛的应用。煤电用高参数超临界发电锅炉中，过热器和再过热器必须使用抗蠕变性能良好、在蒸汽侧抗氧化性能和在烟气侧抗腐蚀性能优异的高温合金管材；在气电用燃气轮机中，涡轮叶片和导向叶片需要使用抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金；在核电领域中，蒸汽发生器传热管必须选用抗溶液腐蚀性能良好的高温合金；在煤的气化和节能减排领域，广泛采用抗高温热腐蚀和抗高温磨蚀性能优异的高温合金；在石油和天然气开采，特别是深井开采中，钻具处于4℃-150℃的酸性环境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必须采用耐蚀耐磨高温合金。
结 语
CONCLUSION
近年来，随着对更高效能和更长使用寿命材料的需求增加，高温合金的研发不断取得突破，新材料的开发和传统材料的性能优化成为行业重点。未来，高温合金的发展将更加侧重于创新和应用扩展，如基于铌、钛和锆的合金，将提供更高的耐热性和耐蚀性。同时，高温合金的应用领域将扩展至更多高新技术领域，如深海勘探和太空探索等，应加大对新材料的开发，以满足这些领域对极端条件下材料性能的需求。
