材料特性说明

高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀。

1、耐高温、耐腐蚀

高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。 以GH4169 镍基变形高温合金为例，可看出GH4169 合金中铌含量高，合金中的铌偏析程度与冶金工艺直接相关，GH4169 基体为Ni-Gr 固溶体，含Ni 质量分数在50%以上可以承受1 000℃ 左右高温，与美国牌号Inconel718 相似，合金由γ 基体相、δ 相、碳化物和强化相γ'和γ″相组成。GH4169 合金的化学元素与基体结构显示了其强大的力学性能，屈服强度与抗拉强度都优于45 钢数倍，塑性也要比45 钢好。稳定的晶格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能。

表1 GH4169 的主要化学成分( 质量分数%)

2、加工难度高

高温合金由于其复杂、恶劣的工作环境，其加工表面完整性对于其性能的发挥具有非常重要的作用。但是高温合金是典型难加工材料，其微观强化项硬度高，加工硬化程度严重，并且其具有高抗剪切应力和低导热率，切削区域的切削力和切削温度高，在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损非常严重等问题。在一般切削条件下，高温合金表层会产生硬化层、残余应力、白层、黑层、晶粒变形层等过大的问题。

传统的划分高温合金材料可以根据以下3 种方式来进行: 按基体元素种类、合金强化类型、材料成型方式来进行划分。

1、按基体元素种类

铁基高温合金又可称作耐热合金钢。 它的基体是Fe 元素，加入少量的Ni、Cr 等合金元素，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。

镍基高温合金的含镍量在一半以上，适用于1 000℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。就高温环境使用的高温合金来分析，使用镍基高温合金的范围远远超过铁基和钴基高温合金用处。同时镍基高温合金也是我国产量最大、使用量最大的一种高温合金． 很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室，甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料。半个多世纪以来，航空发动机所应用的高温材料承受高温能力从20 世纪40 年代末的750℃提高到90 年代末的1 200℃应该说，这一巨大提升也促使铸造工艺加工及表面涂层等方面快速发展。

钴基高温合金是以钴为基体，钴含量大约占60%，同时需要加入Cr、Ni 等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于各个国家钴资源产量比较少，加工比较困难，因此用量不多。通常用于高温条件( 600 ～ 1 000℃) 和较长时间受极限复杂应力高温零部件，例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。

2、合金强化类型

根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。

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。

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℃的最高屈服强度达1 000 MPa，制作叶片的合金温度可达950℃。

3、材料成型方式

通过材料成型方式划分有:铸造高温合金( 包括普通铸造合金、单晶合金、定向合金等) 、变形高温合金、粉末冶金高温合金( 包含普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金)。

采用铸造方法直接制备零部件的合金材料叫铸造高温合金。根据合金基体成分划分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金3 种类型。按结晶方式划分，可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4 种类型。

仍然是航空发动机中使用最多的材料，在国内外应用都比较广泛，我国变形高温合金年产量约为美国的1 /8 [2]  。以GH4169 合金为例，它是国内外应用范围最多的一个主要品种． 我国主要在涡轮轴发动机的螺栓、压缩机及轮、甩油盘作为主要零件，随着其他合金产品的日益成熟，变形高温合金的使用量可能逐渐减少，但在未来数十年中仍然会是占主导地位。

包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域．

①第三代粉末高温合金的合金化程度提升，使其兼顾了前两代的优点，获得了更高的强度较低的损伤，粉末高温合金生产工艺日趋成熟，未来可能从以下几个方面开展: 粉末制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉末盘;

②钛铝系金属间化合物已经开发到第四代，逐步向着多元微量和大量微元这两个方向拓展，德国的汉堡大学，日本京都大学，德国的GKSS 中心等都进行了广泛的研究，钛铝系金属间化合物现已应用于船舶、生物医用、体育用品领域;

③氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金一部分，正在生产研制的有近20 余种，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、先进航空发动机、石油化工反应釜等；

④耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，应用于建筑及航天航空领域。