高溫合金，又稱超合金，是一種能在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化性和耐熱腐蝕性、良好的疲勞性、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的材料特性使其成為航空發(fā)動機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料。在世界先進(jìn)的發(fā)動機(jī)開發(fā)中，高溫合金材料的用量占發(fā)動機(jī)總量的40%~60%。因此，高溫合金材料也被稱為“先進(jìn)發(fā)動機(jī)基石”。

高溫合金占航空發(fā)動機(jī)高溫合金需求的一半以上。隨著國內(nèi)一批新型航空發(fā)動機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)，預(yù)計(jì)高溫合金需求將迅速增長。以殲10B、殲15、以殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝，WS-10發(fā)動機(jī)需求持續(xù)增長。未來幾年，隨著國內(nèi)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20的投產(chǎn)，大涵道比發(fā)動機(jī)將進(jìn)入量產(chǎn)階段；小涵道比中推和小推航空發(fā)動機(jī)也將逐步進(jìn)入量產(chǎn)。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)需求的增長將推動航空高溫合金需求進(jìn)入快速增長期。

高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。高溫合金在燃?xì)廨啓C(jī)、汽車渦輪增壓器、核電、石油石化等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。隨著工業(yè)化的推進(jìn)和國內(nèi)高端設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，民用工業(yè)對高溫合金的需求將繼續(xù)推動。目前，民用高溫合金占總需求的20%，預(yù)計(jì)未來這一比例將繼續(xù)上升。

據(jù)估計(jì)，到2020年，中國對高溫合金的需求約為4萬噸，相應(yīng)的市場空間為90.5億元：航空發(fā)動機(jī)、汽車廢氣渦輪增壓器和核電行業(yè)對高溫合金需求的增長將推動行業(yè)需求的爆發(fā)。目前，我國高溫合金產(chǎn)能約為1.26萬噸，實(shí)際產(chǎn)量約為8000-9000噸。預(yù)計(jì)未來7年高溫合金需求復(fù)合增長率將超過20%。

(1)高溫合金簡介及分類

在600℃以上的高溫和一定的應(yīng)力作用下，高溫合金是一種長期工作的金屬。與傳統(tǒng)金屬和合金不同，高溫合金具有強(qiáng)度高、抗氧化、耐熱腐蝕、疲勞、斷裂韌性好、組織穩(wěn)定性好、在各種溫度下使用可靠性好等綜合性能，在西方也被稱為超合金（Superalloys）。

高溫合金材料是航空發(fā)動機(jī)的首選，在現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展中處于不可替代的地位。其規(guī)模的發(fā)展直接決定了航空設(shè)備的發(fā)展水平。此外，高溫合金也廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機(jī)的熱端部件。隨著工業(yè)化的發(fā)展，民用高端設(shè)備行業(yè)對高溫合金材料的需求呈上升趨勢。高溫合金的耐高溫、耐磨、耐腐蝕性使其廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)和內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓、燃?xì)廨啓C(jī)、能源動力、石化、玻璃建材等民用行業(yè)，民用行業(yè)高溫合金的使用量增加到20%左右。

根據(jù)材料成型方法、基體元素類型、合金強(qiáng)化類型等，可分為高溫合金：

1）根據(jù)材料成型方法，高溫合金可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括普通精密鑄造合金、定向凝固合金、單晶合金等）、粉末冶金高溫合金(包括普通粉末冶金高溫合金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金ODS)；

2)高溫合金根據(jù)基體元素類型可分為鐵基、鎳基、鈷基等；

3)根據(jù)合金強(qiáng)化類型，高溫合金可分為固溶強(qiáng)化高溫合金和及時沉淀強(qiáng)化合金。

(二)高溫合金材料的技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新

各種材料在高溫環(huán)境下的退化速度加快，在溫度和應(yīng)力作用下容易發(fā)生組織不穩(wěn)定、變形和裂紋生長、材料表面氧化腐蝕等。高溫合金的耐高溫性和耐腐蝕性主要取決于其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)

高溫合金材料成分非常復(fù)雜，含有鉻、鋁等活性元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)部門的穩(wěn)定性，加工零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力缺陷，對材料的化學(xué)性能和機(jī)械性能產(chǎn)生非常不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料容易產(chǎn)生成分偏析，對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織和性能有重大影響。高溫合金的這些特性決定了它不同于普通金屬材料的加工工藝。

通過合金強(qiáng)化，高溫合金的發(fā)展是合金理論和生產(chǎn)技術(shù)不斷改進(jìn)和創(chuàng)新的過程 工藝強(qiáng)化不斷結(jié)合，提高合金的材料性能。合金強(qiáng)化包括合金固體溶解強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化劑晶體邊界強(qiáng)化等。；工藝強(qiáng)化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理和表面處理。

高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包括熔煉、鑄造和熱處理。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料的力學(xué)性能有很大的影響。新工藝的引入往往使高溫合金的性能取得飛躍，開發(fā)了一批新的高溫合金，促進(jìn)了一代航空發(fā)動機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。舊合金也可以改進(jìn)工藝，提高材料性能。

例如，單晶渦輪葉片的應(yīng)用顯著促進(jìn)了航空發(fā)動機(jī)的進(jìn)步。F-第三代單晶高溫合金PWA1484用于22航空發(fā)動機(jī)F119的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，該材料本身的最高工作溫度約為1070℃。由于采用計(jì)算流體動力學(xué)程序設(shè)計(jì)制造了超冷卻葉片，渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度提高到1621～1677℃(F100發(fā)動機(jī)為1400℃)，可見工藝創(chuàng)新在材料開發(fā)中的重要地位。

制備高溫合金材料的技術(shù)和工藝仍在不斷進(jìn)步和創(chuàng)新。例如，冶煉過程采用真空感應(yīng) 電渣重熔 真空自耗熔煉采用先進(jìn)的熔煉控制方法，通過定向凝固柱晶體合金和單晶合金技術(shù)提高材料的高溫強(qiáng)度，減少合金元素的偏析，提高材料強(qiáng)度。此外，氧化物擴(kuò)散強(qiáng)化高溫合金和金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。