研发航天航空执行标准合金材料N07751

战略角度：高温合金材料是航空航天领域的战略军事物资，对于提高航空发动机性能、实现航空发动机国产化具有重要作用。我国从上世纪60年代开始发展国产航空发动机，历经坎坷，已经取得了进步。但是，与国外发动机相比，国产涡扇发动机的推重比这一重要指标仍然落后。提高航空航天发动机的工作温度，核心手段是应用高温合金材料。航空发动机高温合金用量达到50%以上，被誉为“航空发动机的基石材料”。

国内发展
自1956年炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。
个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。
第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列、次的新合金。
我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。
虽然高温金属合金材料在我国已发展近60年，但行业发展仍处于成长期。由于高温金属合金材料领域具有较高技术含量，该行业企业拥有较深护城河。我国高温金属合金每年需求量在2万吨以上，国内年生产量在1万吨左右，市场容量超过80亿元，其中进口占比较大。未来20年我国各类军机采购需求在2800架左右，民用飞机采购数量在5400架左右，对应的高温合金需求在1500亿以上，再加上500亿的燃气轮机需求，仅高温合金空间一项就有2000亿的市场空间即将打开。
我国生产能力与需求相比存在两个缺口：
（1）生产能力不足。我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口，在燃气轮机、核电等领域的高温合金主要还依赖进口。
（2）产品难以满足应用需求。我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大差距，随着我国研制更的航空航天发动机，高温合金材料在供应上存在无法满足应用需求的现象

制备工艺
1、铸造冶金工艺
各种铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。
不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣炉。
固溶强化型合金和含铝、钛低（铝和钛的总量约小于4.5%）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。
2、结晶冶金工艺
为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外，为了消除全部晶界，还需研究单晶叶片的制造工艺。
3、粉末冶金工艺
粉末冶金工艺，主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。
4、强度提高工艺
⑴固溶强化
加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。
⑵ 沉淀强化
通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以强化合金。γ‘相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。
γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强：
①增加γ‘相的数量；
②使γ’相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；
③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；
④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相，而用碳化物强化。

新型高温合金
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、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。


GH4169高温合金
GH4169合金是镍一铬一铁基高温合金。GH4169合金属于镍基变形高温合金。镍基合金是一种复杂的合金。它被广泛地应用于制造各种高温部件。同时，也是所有高温合金中为注目的一种合金。它的相对使用温度在所有普通合金系中也是高的。的飞机发动机中这种合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由国际镍公司亨廷顿分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公开介绍的时效硬化镍—铬—铁基变形合金。合金是以体心立方g〞和面心立方g′相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金，在650℃以下具有高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性，具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、断裂韧性等综合性能，以及满意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很宽的温度范围内组织性能稳定，成为在深冷和高温条件下用途极广的高温合金。由于GH4169良好的综合性能，被广泛用于航空发动机的压气机盘、压气机轴、压气机叶片、涡轮盘、涡轮轴、机匣、紧固件和其它结构件和板材焊接件等 [3]。
我国于70年代开始研制GH4169合金，主要应用于盘件，使用时间比较短，所以采用真空感应加电渣重熔的双联工艺。八十年代开始应用于航空领域，提高和改进材料质量、提高合金的综合性能和使用可靠性成为主要的研究方向。当前GH4169合金的主要研究方向为：
（1）改进冶炼工艺，量化冶炼参数，实现程序稳定操作，使合金显微组织更加均匀，从而得到优良的屈服和疲劳强度以及抗裂纹扩展止裂能力，提高低周疲劳强度等；
（2）改进热处理工艺。热处理工艺不能很好的消除钢锭中心的偏析，所以对组织的均匀性有不利影响，因此采用合理的均匀化退火工艺，得到细晶坯料成为主要研究方向之一；
（3）改进使用设计。由于GH4169的工作温度不能650℃，所以应当加强零部件的冷却，充分发挥该高温合金的、低成本等优点；
（4）提高组织稳定性能。由于航空发动机部件的命要求，对于提高GH4169合金长期时效组织稳定性方面也是至关重要的。

新型高温合金的研究
市场分析新型高温合金主要包括：粉末高温合金、金属间化合物、ODS合金和高温金属自润材料等四种：
粉末高温合金技术：FGH51粉末高温合金是采用粉末冶金工艺制备的相沉淀强化型镍基高温合金。该合金γ相的体积分数为$,-左右，其形成元素的原子分数为50%左右。合金盘件的制造工艺路线是采用真空感应熔炼制取母合金，然后雾化制取预合金粉末，进而制成零件毛坯。与同类铸、锻高温合金相比，它具有组织均匀、晶粒细小、屈服度高和疲劳性能好等优点，是当前650度工作条件下强度水平高的一种高温合金。该种高温金主要用于发动机的转动部件，如涡轮盘和承力环件等 。
金属间化合物用于制作各类运载工具动力推进系统的构件，减少自重、提能；
ODS合金具有优良的高温蠕变性能、高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能，可用于制造发动机关键部件，也可用于火力发电系统、煤气化炉、工业燃气轮机和工业锅炉、玻璃制造、汽车柴油发动机、核反应堆等；
高温金属基自润滑材料主要用于生产高温自润滑轴承，主要用于替代含油轴承、镶嵌式固体自润滑轴承、双金属轴瓦及铸硫钢固体润滑轴承（包括铸钢表面硫化处理轴承）在冶金设备上的应用，该高温自润滑轴承具有强度高、承载能力大、润滑效果好、结构设计合理、噪音小、使用寿命长等优点。

什么是高温合金
基本概述
定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。
别名：由于其的高温性能，高温合金也被称为“超合金”。
材料特性
高温强度：高温合金具有在高温下保持高强度的能力，这对于航空发动机等高温工作环境至关重要。
抗腐蚀性能：高温合金具有良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，能够在恶劣环境中长期稳定工作。
疲劳性能：高温合金展现出良好的疲劳性能，能够在循环载荷下抵抗疲劳破坏。
断裂韧性：高温合金具有优良的断裂韧性，即使在高应力条件下也不易发生断裂。
应用领域
航空航天领域：高温合金在航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等关键部件中发挥着的作用。
能源领域：在核反应堆、燃气轮机等能源转换装置中，高温合金用于制造能够承受高高温的材料。
石油化工领域：在石油勘探和化工设备中，高温合金用于制造耐腐蚀耐磨的部件