高温合金材料研究进展

第1页 材料科学与工程前沿课程报告 第二部分：高温合金专题学习报告

学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程 姓名：XXXXX 学号：XXXXX 班级：XXXXX

2012年11月19日 第2页

高温合金材料研究进展 摘要：本文主要是根据这学期在材料科学与工程前沿课上听了董建新教授讲关于高温合金相关的知识，然后通过调研，对国内外高温合金的研究发展现状有了一定的认识，本文主要介绍目前高温合金材料的研究进展和我校在相关方面的研究成果，并提出自己的见解，我国高温合金方面虽然有了很大的进步，但是和国际上的高温合金的研究还有差距，建立在仿制国外高温合金材料的基础上的创新并不是真正的创新，真正想要达到并超越国际水平，我们还有很长的路要走。 关键词：高温合金 董建新 研究进展 引言 高温合金是制造现代航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机的重要金属材料。目前在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例高达50%以上。显然，没有高温合金就不可能有高速、高效率、安全可靠的现代航空和航天事业，同时，高温合金在核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域也有广阔的用途[1]。高温合金是在550℃以上温度条件下能承受一定应力并具有抗氧化和抗热腐蚀能力的材料。我国的高温合金以合金成形方式、合金基体元素、合金强化方式的顺序，构成我国高温合金系列和体系，其中合金成形方式有变形高温合金、铸造高温合金（包括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）、焊接用高温合金丝、粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金和金属间化合物高温材料之分。在这些不同合金系列之下，再分为铁基、镍基、钴基及铬基合金。 董建新教授从高温合金在航空航天等高科技产品上面的应用开始说起，介绍了高温合金材料的研究现状、制备和加工方面，还有高温合金的元素组成、强韧化和工艺强化等知识，让我们对目前的高温合金材料的研究现状有了初步的认识。经过50多年的研究，我国在高温材料领域已经取得了一系列的进步，但是，还是与国外如美国等还存在着相当大的一段距离，例如我国生产的涡轮盘质量就不及美国，一些关键的技术都处于被国外封锁的阶段，一些关键的零部件我们不能研发，只能靠进口。这在很大程度上制约了我国航空、汽车制造业的发展。所以，研究高温材料的科研人员还是有很大的用武之地的。目前各国纷纷提出航天发展计划，竞争将愈加激烈。我们国家必须重点发展高温合金在高科技航空航天领域第3页

的研发，才能在未来的空间竞争中占得一席之地。 一、国际上高温合金的研究现状 从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。1937年德国涡轮喷气发动机Hcinkel问世，1939年英国研制出Whittle涡轮喷气发动机。同年，英国Mond公司首先研制成一种低碳含钛的镍基合金Nimonic75，不久又有含铝和钛合金元素的Nimonic80合金问世。这种合金与Nimonic75相比，蠕变性能在应力和持续时间相同的条件下，蠕变温度可以提高50℃[2]。 第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ’相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。1941年后美国开始发展航空燃气涡轮，1942年将HastclloyB镍基合金先后用于GE（通用电器）公司的两种喷气发动机中，1944年开发出钴基合金HS23用于西屋公司发动机中的精密铸造叶片。1950年后由于钴资源缺乏美国发展镍基合金，并广泛用于制作涡轮叶片。在此期间，美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出Waspalloy、M-252和Udinet500等合金。 50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。60年代以后，陶瓷过滤、等温铸造、定向凝固、粉末冶金、机械合金化等新工艺的成功应用，推动了高温合金的迅猛发展，其中尤以采用定向凝固工艺制造出单晶高温合金叶片，于70年代初步获得成功应用，使航空发动机的性能大幅度提高。 在前苏联，高温合金称为耐热合金，20世纪40年代中期至50年代在耐热钢的基础上开发出铁-镍基、镍基、钴基耐热合金，前苏联镍基耐热合金成分特点是添加较多的钨和钼元素，添加一定量的铁元素，经常加人少量的钒元素，而美国合金常用钼元素，少用钨元素。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。 二、我国高温合金体系及其发展 自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的第4页

研究生产和应用已经历了50多年的发展历程。回顾50多年的历史，我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，合金的耐温性能从低到高，先进工艺得到了应用，新型材料得以开发，生产工艺不断改进且产品质量不断提高，并建立和完善了我国的高温合金体系，使我国航空航天工业生产和发展所需的高温合金材料立足于国内，也为其它工业部门的发展提供了需要的高温材料（图1[3]）。

图1世界高温合金(涡轮叶片、盘片)的发展趋势和我国主要合金的研制 根据2002年出版的《中国航空材料手册》，我国可供航空选用的高温合金牌号89个，目前正在编撰的《中国高温合金手册》中共列入牌号194个，其中：铁基变形合金30个，镍基变形合金43个，钴基变形合金6个，等轴铸造镍基合金62个，定向凝固镍基合金15个，单晶镍基合金9个，金属间化合物基合金20个，粉末高温合金3个，ODS合金5个，以及焊丝等，可供航空航天及其它工业部门选用。形成高温合金体系的，全世界没有几个，中国是其中之一，其余为美、英、俄，说明我们国家的高温合金材料研究已经形成了规模。 第5页

三、北京科技大学在高温合金方面所取得的成果 在发展尖端技术的推动下，冶金部于1958年从工厂抽调一批有才能的科技人员充实钢铁及有色两院，高温合金为北京钢铁研究总院研究与开发的重点领域，继而上海钢研所、航天部703所以及几所大学、如北京钢铁学院（现北京科技大学）等都加人了高温合金的研究与开发行列，值得指出的是，60年代初在钢铁学院和东北工学院还设立了高温合金专业，一直延续了十余年，为高温合金的发展培养了一批专门人才，在高温合金的发展过程中，促进了我国微量元素分析和相分析技术，高温物性与力学性能测试技术，不但保证了高温合金的生产，也使我国高温合金的研究达到较高水平[4]。 单从北京科技大学的角度看，发展至今，在高温合金领域依然有很强的竞争力，从1961年起，我院高温合金梯队谢锡善教授一直从事耐热钢及变形高温合金的工作以及高温材料强韧化和断裂导致失效的分析和改进研究。历年来主持并进行了：铁基高温合金研究、微量元素在高温合金中的作用、高温合金力学冶金高温合金强韧化、烟气轮机用高温合金大涡轮盘研制、新机种用GHl69合金及粉末高温合金涡轮盘的研究，改善大型锻件（涡轮盘）热加工工艺提高综合性能研究、高温合金表面合金化高温台金强韧化机理以及高温部件长期运行中的组织稳定性及寿命估算研究等。还主持和参与了多项国家、部委重点，国家自然科学基金，“863”高科技课题，和美、法、日、印度、巴西以及韩国等国际合作课题 [5]。

我院葛昌纯院士也一直活跃在高温合金材料的制备与研究上，不断探索新的工艺进行研究，提出了火花等离子体放电（SPD）制备高温合金细粉新技术，并设计了样机，该方法与常用的高温合金制粉方法-等离子旋转电极法和氩气雾化法的原理不同，与之相比，该方法冷速更快，可制备粒度更细小的粉末，且设备简单，该方法制备的粉末粒度分布窄、球形度高、粉末颗粒表面光滑、看不到枝晶、颗粒内部是球状晶凝固组织，从而组织更均匀[6]。还有刘国权教授等也一直在粉末高温合金领域进行着探索。中国粉末高温合金的研究始于1977年，目前已研制了以FGH95合金为代表的使用温度为650℃的第一代高强型和以FGH96合金为代表的使用温度为750℃的第二代损伤容限型粉末高温合金。但从总体上讲，与国外之间还是有较大的差距。而刘国权教授梯队在粉末高温合金领域也取第6页

得了一系列的成果。 四、总结与展望 50 多年来，我国高温合金取得了辉煌的成绩，但是也仍然存在着一些问题，创新是我们国家科技发展的灵魂，我国的高温合金必须突破引进加仿制到创新的体制，充分发挥我们自主的创新性，大力深化科技体制改革，把国内搞高温合金的力量集中起来，共同应对未来空间开发用的高温合金及民用高温合金，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

参考文献： [1]师昌绪，仲增墉，中国高温合金五十年[M]，北京：冶金工业出版社，2006 [2]赵明汉，张国庆，孙晓峰，杨洪才，我国高温合金体系的发展[J]，北京：冶金工业出版社，2006 [3]师昌绪，仲增墉，我国高温合金的发展与创新[J]，金属学报，2010，46(11)：1281-1288 [4]师昌绪，仲增墉，中国高温合金40年[J]，金属学报，1997，33(1)：1-8 [5]赵凡，献身中国高温合金事业——北京科技大学谢锡善教授[J]，科技成果管理与研究，2011，(3)：101-102 [6]于军，葛昌纯，孟璐璐，沈卫平等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J]，2008，44(7)：892—896