在高溫合金發(fā)展過程中，工藝對合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。

鑄造高溫合金是由合金錠重熔后直接澆注或定向凝固成零件的高溫合金 ，其發(fā)展始于20世紀(jì)40年代 。1943年美國首次在渦輪噴氣發(fā)動機 J-33上選用了 HS-21制作渦輪工作葉片，替代變形合金 Hastelloy-B的葉片，開創(chuàng)了航空發(fā)動機使用鑄造高溫合金的先例 。隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，對高溫合金性能提出越來越高的要求 ，為 了提高熱強性能，在變形高溫合金中相繼加入了多種合金元素 ，導(dǎo)致變形加工 困難的問題，于是 ，航空和冶金工作者越來越重視鑄造合金的研究 。20世紀(jì)50年代 末 ，真空熔煉技術(shù)出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體去除，合金成分得到精確控制 ，高溫性能不斷提高，研制出 IN100,B1900,MAR-M200等多種性能優(yōu)異的合金。20世紀(jì)60年代定向凝固技術(shù)的發(fā)展 ，促進(jìn)了定向柱狀晶和單晶高溫合金的蓬勃發(fā)展 ，使航空發(fā)動機的使用溫度達(dá)到 1700℃ 以上 。

鑄造高溫合金不再考慮鍛造變形性能 ，可通過精密鑄造方法或定向凝固工藝鑄造出形狀復(fù)雜且有通暢內(nèi)腔的無余量空心薄壁葉片。因此，鑄造高溫合金元素總量要顯著高于變形高溫合金 ，其中，固溶強化元素增添了 Re,Ru等元素，難熔金屬元素 w 的含量提高（有些 合金超過 10%）沉淀強化合金元素除 Al,Ti之外，還加入 Nb,Ta,Hf,V等元素。研究表明，鑄造高溫合金元素含量總和可達(dá) 50%，沉淀強化相 γ相含量達(dá) 60％-70%，此外，鑄造高溫合金粗大的晶粒和凝固偏析引起的枝晶骨架 以及 晶界和枝晶間形成的一次碳化物骨架，可有效地強化合金，因此，鑄造高溫合金持久強度、抗拉強度都明顯高于變形高溫合金。同成分的鑄造高溫合金要比變形高溫合金使用溫度提高 10-30℃，同時，加入更多的 合金元素也有利于開發(fā)新合金 。

鑄造高溫合金按凝固方法分類可分為等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金三類。

1）等軸晶鑄造高溫合金

2）定向凝固柱狀晶高溫合金

定向凝固高溫合金是通過定向凝固技術(shù)制備出晶界平行于主應(yīng)力軸從而消除有害橫向晶界的柱狀晶高溫合金。20世紀(jì) 60年代中期，美國PW公司發(fā)明了定向凝固工藝并用于生產(chǎn)鎳基合金柱狀晶渦輪葉片，可提高葉片工作溫度 500C。我國于20世紀(jì) 70年代開始定向凝固合金研究工作，到現(xiàn)在已研制出多種定向凝固柱狀晶高溫合金，并在多種型號的發(fā)動機上 使用，某些定向凝固合金葉片已開始批量生產(chǎn)。

定向凝固渦輪盤

3）單晶高溫合金

采用定向凝固工藝消除所有晶界的高溫合金稱為單晶高溫合金。20世紀(jì)80年代以來。隨著合金設(shè)計理論水平的提高，成分不斷改進(jìn)，熔煉工藝優(yōu)化，鑄造技術(shù)進(jìn)步，使其力學(xué)性能的提高一再獲得突破，如今 ，單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第五代。

典型鎳單晶高溫合金

單晶高溫合金中加入了大量 W,Mo ,Ta,Re,Ru等難熔金屬元素 ，其含量比同代次定向凝固柱狀晶合金都高。難熔金屬產(chǎn)生固溶強化 ，提高固溶溫度 ，時效時大量析出沉淀強化相γ相。第一代單晶高溫合金不含稀土金屬元素 Re，隨后 ，發(fā)現(xiàn)添加元素 Re后 80％原子能進(jìn)入γ固溶體，引起較大的晶格畸變，20％的元素 Re直接進(jìn)入γ相，提 高γ相的溶解度，增加γ相體積分?jǐn)?shù)，從而提高合金承溫能力，而且 Re原子的加入有助于減小單晶晶粒缺陷和表面再結(jié)晶傾向。從第二代 單晶合金開始添加元素 Re, 3％Re和 6%Re是第二代和第三代單晶高溫合金的標(biāo)志 ，但 Re原子加入會促進(jìn)有害的 TCP相生成和次生反應(yīng)區(qū)（SRZ)生成 ， 降低組織穩(wěn)定性 。第四代 和第五代單晶合金以分別加入 3％和 6％ 的元素 Ru，抑制TCP相析出，增加合金組織穩(wěn)定性。

第一至第五代單晶高溫合金在 137MPa,1000h

條件下的承溫能力

等軸晶、定向凝固及單晶 M-M200的蠕變和持久性能

變形高溫合金是指將鑄錠進(jìn)行冷 、熱加工制成各種型材或 零件毛坯 ，最后制成熱端零件 的高溫合金 ，其關(guān)鍵是合金錠具有成形能力。變形高溫合金是最先用于航空發(fā)動機的高溫合 金 ，1939年英國首先研制成功 Nimonic75,1944年 Nimonic80A 正式使用 ，1956年中國發(fā)展了第一種變形高溫合金 GH3030，之后又相繼研制了GH4033等合金，經(jīng)過 60多年的發(fā)展，全世界目前生產(chǎn)的變形高溫合金超過 200種 ，中國生產(chǎn)的變形高溫合金超過 70種 。

與鑄造高溫合金相比，變形高溫合金合金化程度低，因此 ，熔點較高，熱加工溫度上限較高 ，合金再結(jié)晶溫度較低 ，降低熱加工溫度下限，因此 ，變形高溫合金熱加工范圍較鑄造高溫合金寬。此外，變形高溫合金偏析較輕，合金組織中的γ析出相數(shù)量較少，變形抗力低 ，加工變形性能良好 ，因而可以通過熱加工和冷加工工藝制備出不同形狀的型材和零件毛坯 。

按基體元素的不同，變形高溫合金可分為鐵基變形高溫合金 、鎳基變形高溫合金和鈷基 變形高溫合金。

1）鐵基變形高溫合金

鐵基變形高溫合金是從奧氏體不銹鋼發(fā)展起來的。鐵基變形高溫合金Fe含量在 18％~45%，為穩(wěn)定奧氏體，通常要入 25%-45%的元素Ni，也可加入適量的元素 Mn,N,C。代替部分元素 Ni。為保證合金有充分的抗氧化腐 蝕能力，鐵基變形合金中還加入 11％~23％的元素 Cr，所以鐵基高溫合金實際上是以 Fe-Ni-Cr三元系為基，當(dāng)Ni含量大于40％時一般也稱作鐵鎳基高溫合金。鐵基高溫合金的基體通常有 Fe-15Cr-25Ni型、Fe-15Cr-35Ni型、Fe-15Cr-45Ni型。

常見鐵基變形高溫合 金的牌號、化學(xué)成分及使用溫度

鐵基變形高溫合金按其強化方式可分為三類 ：第一類是碳化物 、氮化物或復(fù)合碳氮化物強化合金，其使用溫度在 550-600℃，現(xiàn)已逐漸被其他合金取代；第二類是固溶強化合金， 在高溫下有良好的抗氧化和抗腐蝕能力 ，使用溫度在 800～ 950℃，主要用作板材 ，制造承力不大但工作溫度較高的零件；第三類是金屬間化合物強化合金，使用溫度在 600-750℃。

鐵基變形高溫合金高溫力學(xué)性能

2）鎳基變形高溫合金

鎳為面心立方結(jié)構(gòu) ，從室溫到高溫沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 ，是一種非常良好的基體金屬，而且鎳化學(xué)穩(wěn)定性良好 ，在 500℃以下幾乎不氧化 ，常溫下不受濕氣 、水及鹽類水溶液的作用。鎳基變形高溫合金通常加入 10％-25％的Cr元素，以保證合金具有良好的抗氧化腐蝕性能，所以鎳基合金實際上 以 Ni-Cr為基體。此外 ，有些合金在 Ni-Cr固溶體中加入元素 Co(15Yo-20%),Mo（約 15％）或 w （約 11%)，分別構(gòu)成 以 Ni-Cr-Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W 為基體的三元系變形高溫合金。

中國常用鎳基變形高溫合金的牌號、化學(xué)成分及使用溫度

鎳基變形高溫合金高溫力學(xué)性能

3）鈷基變形高溫合金

鈷在 400℃以下具有密排六方結(jié)構(gòu) ，在高溫時會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu) ，且這種轉(zhuǎn)變具有非熱特性 ，在溫度循環(huán)過程中具有可逆性 ，為使鈷基合金具有穩(wěn)定面心立方 構(gòu)的γ奧氏體 ，通常加入 5%-25％的鎳或 9％-20％的鐵 ，此外 ，還通常加入 20％左右的元素 Cr，以便在合金表面形成防護(hù)性能良好的 Cr203氧化膜來提高鈷基變形高溫合金的抗氧化性能和抗腐蝕性能。所以，鈷基變形高溫合金實質(zhì)上是以Co-Ni-Cr三元系為基，另含 W,Mo,Nb,Ta等固溶強化元素和碳化物形成元素。

部分鈷基變形高溫合金的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

鈷基變形高溫合金與鎳基變形高溫合金相比，其加工硬化速率較大，零件成形后的表面質(zhì)量較好 ，但在成形過程中，一般需要較多的熱加工加熱火次或冷變形中間退火次數(shù) ，其加工成形設(shè)備的噸位也要求較大。鈷基變形高溫合金在高于 980℃時 ，其強度很高 ，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性優(yōu)異，但是，鈷基變形高溫合金以碳化物為主要強化相，缺少共格類的強化相，在較低和中等溫度范圍內(nèi)持久強度比鎳基變形高溫合金低。

鈷基變形高溫合金高溫力學(xué)性能

隨著高溫合金工作溫度和強度的不斷提高以及綜合性能的改善，合金中強化元素含量不斷增加 ，成分越來越復(fù)雜，熱加工性能變得很差 ，不少高性能鎳基高溫合金已不能熱加工變形 ，只能以鑄態(tài)使用 。然而 ，由于鑄造組織偏析嚴(yán)重導(dǎo)致了顯微組織的不均勻和力學(xué)性能的波動，故而開始采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高溫合金克服上述缺點 ，得到幾乎無偏析、組織均勻、熱加工性能良好的高溫合金材料。粉末高溫合金是先進(jìn)航空發(fā)動機關(guān)鍵熱端部件的優(yōu)選材料，主要用于制造渦輪盤、壓氣機盤、鼓筒軸、渦輪盤、高壓擋板等發(fā)動機熱端高溫承力轉(zhuǎn)動部件。目前，用粉末冶金法制得的高溫合金可分為普通粉末 （powdermetallurgy, PM）高溫合金和氧化物彌散強化 （oxidedispersionstrengthened,ODS）高溫合金兩類。目前，已經(jīng)研制了四代粉末高溫合金，制備出的渦輪盤等多種粉末高溫合金關(guān)鍵零部件已成 功應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動機 。

1）普通粉末高溫合金

粉末高溫合金的工藝流程大致如下 ：制備粉末～ 固實～熱加工變形 ~熱處理。粉末的質(zhì)量嚴(yán)重影響著粉末高溫合金的性能 ，通常要求粉末的氣體含量及夾雜物含量低 ，粒度分布及形狀合適。高溫合金粉末的制備方法主要有惰性氣體霧化法、旋轉(zhuǎn)電機法和真空霧化法三種。惰性氣體霧化法應(yīng)用最廣泛 ，在整個真空及密閉的設(shè)備中，經(jīng)真空熔煉的合金熔體經(jīng)注口流下，在高壓高速的氣流中霧化成粉末。所用的氣體通常是氬氣，所得粉末中氣體含量約為40-200μg/g，粉末主要呈球狀，也有一些空心顆粒、串狀顆粒或片狀顆粒，粒度分布較寬 ，有粗大的也有特別細(xì)小的顆粒 ，需經(jīng)篩分后再集取 。

粉末高溫合金的性能強烈地受制粉、固實化工藝的影響，不 同制粉工藝的粒度分布差異對合金的晶粒和性能有一定的影響 ，在熱等靜壓合金中能表現(xiàn)出來，但在熱擠壓合金中破碎完全，已顯示不出粒度分布的影響。

部分美國、歐洲的粉末冶金高溫合金的化學(xué)成分與性能

部分俄羅斯研發(fā)的粉末高溫合金成分及性能

部分中國的粉末冶金高溫合金化學(xué)成分與性能

中國研制的三種渦輪盤粉末冶金高溫合金性能

2）氧化物彌散強化高溫合金

氧化物彌散強化高溫合金（ODS)是將細(xì)小的氧化物顆粒 （一般選用 Y203）均勻地分散于高溫合金基體中，通過阻礙位錯運動而產(chǎn)生強化效果的一類合金。機械合金化工藝的發(fā)明是ODS高溫合金發(fā)展史上的一個里程碑 ，機械合金化是在高能 球磨機內(nèi)完成的，常用的高能球磨機有攪拌式、振動式和滾筒式三種。

幾種典型的ODS鎳基高溫合金

ODS高溫合金力學(xué)性能最大的特點是高溫強度 。加入的氧化物顆粒 Y203具有很高的熔點 （2417℃)，且不與基體發(fā)生反應(yīng)，所以具有非常好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其強化作用可以維持到接近合金的熔點溫度，因此，ODS高溫合金的使用溫度可以達(dá)到 0.9Tm。

目前國內(nèi)外已生產(chǎn)和研制的 ODS高溫合金主要有三類：

國際上高溫合金的研制始于上世紀(jì)二三十年代，主要在英美俄等國家展開。目前， 世界范圍內(nèi)僅有不超過 50 家企業(yè)具備生產(chǎn)高性能高溫合金的能力，主要集中在美英法德等歐美國家，整個行業(yè)頭部效應(yīng)明顯。

國際知名的高端高溫合金生產(chǎn)國家和企業(yè)主要有美國的通用電氣公司、普拉特-惠特尼公司、佳能-穆斯克貢公司、漢因斯·司泰特公司、國際因科合金公司等，以及英國的國際鎳公司、日本的 JFE 鋼鐵株式會社、新日鐵住金株式會社、神戶制鋼等。這些企業(yè)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，均已建立了完善的企業(yè)級的高溫合金工藝、性能體系、過程控制及選材標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)的高溫合金具有成本低、質(zhì)量高且穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。

國內(nèi)高溫合金起步較晚，初期以仿制為主，目前已建立較為完備的產(chǎn)品體系。由于高溫合金主要運用于航空航天、核電等戰(zhàn)略核心領(lǐng)域，因此作為高精尖產(chǎn)品，國外廠商管控嚴(yán)格，很少出口銷售。國內(nèi)高溫合金行業(yè)從 20 世紀(jì) 50 年代末仿制前蘇聯(lián)高溫合金體系開始，經(jīng)過 60 余年的發(fā)展，經(jīng)歷了由仿制到仿創(chuàng)結(jié)合再到獨創(chuàng)的發(fā)展歷程，形成了我國獨特、系統(tǒng)、完整的高溫合金體系，是國際上公認(rèn)的四大較完整的高溫合金體系之一。

我們把國內(nèi)從事高溫合金的廠家分為四類：

目前，國內(nèi)規(guī)模較大的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼特鋼、攀長鋼、中科院金屬所、北京航材院也具備一定的產(chǎn)能。

目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類是鋼研高納、中科院金屬所和北京航材院三家公司；另一類是黎明、西航、南方、成發(fā)等專業(yè)發(fā)動機廠自行生產(chǎn)精鑄件。三家單位主要承接航天航空發(fā)動機廠對外委托的精鑄件業(yè)務(wù)。目前三家單位在鑄造高溫合金的材料制備、生產(chǎn)技術(shù)上均有各自特點，其中鋼研高納產(chǎn)能大于其余兩家。