高溫合金的應用

有研究表明，航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金總需求一半以上，此外還廣泛應用于電力、汽車、機械等行業(yè)中。

（一）航空發(fā)動機

航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術含量高、難度大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中高的性能要求。

航空發(fā)動機的技術進步與高溫合金的發(fā)展密切相關，高溫合金是推動航空發(fā)動機發(fā)展的尤為關鍵的結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動機通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評定發(fā)動機的水平。提高推重比直接和的技術措施是提高渦輪前的燃氣溫度。因此高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發(fā)動機性能的關鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動機推重的要求比不斷提高，發(fā)動機對高性能高溫合金材料的依賴越來越大。

在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%-60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

航空發(fā)動機通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動機的水平。提高推重比直接、的技術措施是提高渦輪前的燃氣溫度。

燃燒室

燃燒室的功用是把燃油的化學能釋放變?yōu)闊崮埽莿恿C械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃氣溫度在1500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達800~900℃以上，局部可達1100℃。

用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量大、尤為關鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達到其極限使用溫度，難以進一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強鈦合金等。

導向葉片

導向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃氣流動方向的部件，是航空發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應力比較低。

在熔模精鑄技術突破后，鑄造高溫合金成為了導向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在四大熱端部件中所占大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應力低疲勞周期。

用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量大、應用范圍*的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進一步研制中。

渦輪葉片

渦輪葉片是航空發(fā)動機上最關鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境，渦輪葉片在承受高溫同時要承受很大的離心應力、振動應力、熱應力等。

用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動機高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進發(fā)動機中進行使用。

（二）航天發(fā)動機

航天發(fā)動機中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗，因此對材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動機相當大的比重，在發(fā)動機中的應用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術的發(fā)展直接影響航天發(fā)動機研制水平。

航天發(fā)動機用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機用高溫合金，但航天發(fā)動機材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動機上一直沒有真正加以應用。隨著工藝的進步，航天發(fā)動機上的許多關鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動機可靠性。隨著航天發(fā)動機技術的進步，航天發(fā)動機用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復雜化、薄壁化、復合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導向器、泵殼體等。

我國的“長征”系列火箭以及“神舟”系列飛船，發(fā)動機的核心部分都采用了高溫合金材料。目前，航天領域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運載發(fā)動機、小型渦噴渦扇發(fā)動機已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進入一個新的增長期。

（三）民用工業(yè)高溫合金的應用