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前言 在介绍航空发动机用不锈钢材料的时候，答应读者单独写一些材料的介绍的，这篇就是关于高温合金的介绍，花了我很长时间才整理出来，终于成文了。谢谢大家的耐心等待。 https://mp.weixin.qq.com/s/j8w_kuPqAeZmI--r1fahDg 注：高温合金博大精深，本文限于篇幅，不包含加工工艺，材料数据，性能等。如果兴趣，后台联系。 高温合金的历史 高温合金，也叫超合金，这个词的首次使用可以追溯到上世纪40年代，用来描述一类用于涡轮增压器和航空发动机的合金。高温合金有铁基、镍基和钴基，用于高温服役的需求，至今仍处在开发进行的状态。 铁基高温合金是最弱的，很少在航空发动机里使用；钴基高温合金在航空发动机里属于选择性使用；而镍基高温合金由于其出色的综合性能被广泛使用于航空发动机。 下图显示的是高温合金的发展过程，以及耐高温能力的演变过程。
高温合金简介 高温合金成分较为复杂，有的合金可以达到10种以上的元素。在航空发动机中的使用主要是锻件和铸件，用于航发的结构件、盘和叶片。合金的开发和加工工艺的控制就是为了获得优异的高温性能，主要是通过合金的强化机理实现的，包括固溶强化、γ’析出强化、机械合金化等。 虽然高温合金可以是铁基或者钴基，但是这两种合金的高温性能和抗氧化抗腐蚀性能无法达到最佳平衡，因此镍基高温合金的使用范围更广。一方面，镍元素有着比较高的溶解度，去容纳更多其它元素，形成面心结构；其强化相γ’能够提供优异的高温强度。另一方面，元素铬和铝的添加，能够形成非常稳定的而且具有保护作用的Cr2O3和Al2O3，产生非常好的环境耐受性，比如抗氧化、抗腐蚀性能。
高温合金的成分 我们以涡轮叶片用钴基高温合金中含有的合金化元素及其作用为例：
我们再来看看盘类高温合金的化学成分对比：
如果对普惠、通用电气的盘类、叶片类高温合金有兴趣，欢迎后台留言。 此处，以罗罗公司为例：
盘类合金的演变，随着粉末冶金技术的发展、粉末盘技术的成熟，使得盘类合金的能力得以很大提高，广泛使用起来。上世纪80年代是第一代的粉末合金盘，Rene95，名义使用温度1200F。到了90年代就开始使用第二代的粉末盘，名义使用温度1300F。进入21世纪，就已经发展到第三代粉末盘，使用温度1350F。2010年发展到了第4代，1450F+；2020年已经是第5代粉末合金了，使用温度1550F+。可见，几乎每10年粉末盘合金就会升级一代，使用温度提高100F左右。 从这些合金的成分分析，能够看出来，粉末合金的发展趋势是硬度越来越高，所使用的合金元素也是越来越贵，Co、W等含量逐代增加。 盘类合金分析完以后，是叶片类高温合金。从发展历程来看，最早期的是等轴合金，然后开始进入单晶时代，从第1代单晶开始，发展了4代；期间还有定向晶。第4代之后还发展了一些特殊的合金，如低铼高温合金、护罩用合金、叶型用合金。 此时，常用的镍基、钴基高温合金已经达到40种之多，不仅用于盘类结构件，还有用于叶片合金，以及一些特殊应用，如螺栓用高温合金。 补充一下：同样是高温合金，叶片讲的是蠕变性能、低周疲劳和抗腐蚀性能，所以成分非常关键；而盘类高温合金讲的是疲劳、裂纹扩展和蠕变，所以晶粒度非常关键。 René合金的名字由来 René合金的名字来源于41号合金的研究。41号合金研究出来以后，科学家发现其焊接性能非常差，就一度被停用了。随后经过大量的努力，41号合金被成功拯救，并重新投入生产。René在法语中意思是“重生”，于是这个合金就成了现在的René 41。 那么René 后面的数字是什么意思呢？这个要从 René 80 合金说起。René合金的命名早期是跟年份有关。这个合金原名 René 69，是1969年开始广泛用于涡轮叶片的高温合金。但是由于每次开会的时候，人们听到René 69的名字的时候都会发出“爽朗而略显尴尬”的笑声，所以，这个合金就成了第一个用γ’强化元素的含量来命名的合金，3Al+5Ti = 8，再乘以10，所以新的名字就是 René 80 了。 再比如 René 125，是因为12.5*10。12.5怎么来的？看看γ’形成元素，参见前文 “合金化元素及其作用”表格，将它们的含量求和可知。 再介绍一个合金René N4。这是通用电气公司第一款单晶高温合金。N的由来是因为这个项目是美国海军（Navy）提供的基金支持，而4是这个项目中合金表里排名第4个合金。主要的是，作为第一款合金，通用电气公司非常谨慎，大量工作用来表征合金的性能，实验室和生产时的缺陷容忍度、疲劳性能、物理性能等。René N4合金与项目中的N4合金相比，成分后来有一些轻微变化。而现在，René N4已经被其它合金完全取代，退出了历史舞台。 这里就顺便提一下那些同样命运悲惨的合金。已经退出使用的有René 100因其糟糕的抗热腐蚀能力，且无法热处理；René 120容易产生裂纹。还有一些是因为价格昂贵，铸造性或者焊接性较差，或者无法热处理，或者抗氧化、抗腐蚀能力差的原因。这些都是前人所走的弯路，值得我们学习思考。 GH4169的名字由来 国产In718合金。GH是高温合金中的“高”、“合”的拼音G、H组成，4是偶数，表示镍基析出强化。这是我国在高温合金体系建设时，来自前辈们的杰出贡献。GH1xxx是铁基固溶合金、GH2xxx是铁基析出强化合金、GH3xxx是镍基固溶强化合金、GH4xxx是镍基析出强化合金；还有钴基，略。在早期，这款合金叫做GH169，体系建立以后才叫做GH4169的。 那么，169是什么呢？根据业内前辈所说，国内在仿制In718合金的时候，冶炼成功的那台炉子的编号就是169，在那个年代都是习惯使用数字代码，这个炉号169的合金就由此得名。 现如今，我国的高温体系完善，跟国外的差距在逐渐缩小。这背后无不饱含着材料科学家们默默地奉献，常年累月作出的巨大贡献。 IN718也好，GH4169也罢，因为其综合性能优异，成本相对较低，是当前高温合金使用量最大的合金。不仅如此，这款合金可以通过不同的热处理制度、加工制度满足不同的使用要求，又被分为In718，HS718, DA718。 In718热处理TTT图：
新需求带来的挑战 前文介绍粉末合金的时候说过，一款成功的合金从需求开始到合金投入使用，至少需要10年，再加上最终产品比如航空发动机的测试，所需要的时间就更久了。 如何更快、更便宜的开发合金就成了众多材料科学家梦寐以求的目标。当前，已经有一些材料设计工具可供使用。从需求产生到最终方案，都可以通过软件进行迭代加速研制的进度。需求产生以后，第一步通常是定义材料和加工工艺，第二步是计算出工艺参数和对应的微观组织，第三步是根据数据和模型计算性能，第四步测试零部件的性能、核算成本，第五步进一步改进和优化。从这个过程可以看出，材料数据、性能模型、微观组织模型、加工工艺模型、可制造性与成本等设计工具所需要的基础数据才是设计者的知识库，才能加快材料的设计和应用。 当前，高温合金的高应变率锻造工艺，热处理制度，焊接工艺如摩擦焊、堆焊，涂层技术都是研究的重点和挑战所在。 总结 高温合金因其在高温下的高强度，具有优异的抗氧化、抗腐蚀能力而被广泛使用。其所需的机械性能可以通过不同的化学成分、不同的加工工艺来获得。 高温合金的成分体系已经成熟。高温合金的未来，通过改变化学成分获得的收益已经越来越低，其改善必须来自加工过程。通过加工模型的建立、加工工艺的控制和改善从而获得量身定制的结构和性能。 |
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