研发航天航空耐高温紧固件合金材料Incoloy901

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”。

盈利角度：下游航空航天放量，上游新材料盈利弹性更强。从量的增速看，消耗属性是装备链条增速的核心影响因素之一，从消耗属性角度看“高温合金（如高温合金叶片维修）>航空发动机>军机”，再叠加国产替代的需求，因此高温合金产业相对于下游军机装备增速更高。从盈利的增速看，相对于下游总装，上游的材料受定价机制影响较小，更多是货架产品因此拥有相对市场化的定价机制，重要的是材料更容易形成规模效应，因此高温合金材料企业盈利弹性相对于下游总装有望更强

材料特性
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。
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。
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。

单晶高温合金单晶合金材料已发展到第四代，承温能力提升到1140℃，已近金属材料使用温度极限。未来要进一步满足航空发动机的需求，叶片的研制材料要进一步拓展，陶瓷基复合材料有望取代单晶高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用。单晶高温合金叶片研制难度和周期与其结构复杂性有关，普通复杂程度的单晶叶片研制周期较短，但在航空发动机上应用也需经历较长的时间。从单晶实心叶片到单晶空心叶片、到气冷复杂空心叶片等，技术难度跨度很大，相应的研制周期跨度也较大。一般一种普通复杂程度的单晶空心叶片从图纸确认、模具设计到试制、再到小批投产，需要1～2年时间。但单晶叶片由于其复杂的服役环境，需要进行大量的验证试验，一般一种普通结构的单晶空心叶片从研制出来以后到航空发动机上应用需5～10年的时间，有的随发动机研制进度，甚至需要15年或更长的时间

发展前景
1、含铼单晶叶片的研究在单晶的成分设计中，要兼顾合金性能和工艺性能，由于单晶中不存在晶界，并应用在较为苛刻的环境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。随着单晶合金的发展，合金的化学成分具有如下变化趋势：引入Re元素，引入Ru、Ir等铂族元素，增加难熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；难熔元素的加入总量增加，C、B、Hf等元素从“完全去除”转为“使用”；降低Cr含量从而允许加入更多其他的合金化元素而保持组织稳定。含铼单晶叶片大幅提升了其耐温能力及蠕变强度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5为代表的第二代单晶合金与代单晶合金相比，通过加入3%的铼元素、适当增大了钴和钼元素的含量，使其工作温度提高了30℃，持久强度与抗氧化腐蚀能力达到很好的平衡。含铼单晶叶片是未来航空发动机涡轮叶片的趋势。单晶叶片由于其耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性较定向凝固柱晶合金有了显著提高，从而很快得到了航空燃气涡轮发动机界的普遍认可，几乎所有航空发动机都采用了单晶合金用作涡轮叶片。

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。