第一篇：單晶高溫合金的變形行為和再結晶研究

單晶高溫合金的變形行為和再結晶研究

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北京科技大學材料學院 100083 北京

摘要：本篇文章概述了單晶高溫合金（主要是鎳基單晶高溫合金）的變形行為，尤其是蠕變性能。還有單晶高溫合金的再結晶方面的一個總結性結論。關鍵詞：單晶高溫合金，變形行為，蠕變，再結晶

The deformation behavior and recrystallization of single

crystal superalloy

WuRihan School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology

Beijing, 100083, Beijing

Abstract: This article summarizes the deformation behaviour, especially the creep deformation, of the single crystal superalloy.And it also made a summary recrystallization to the recrystallization behavior of the single crystal superalloy.Keywords: single crystal superalloy，deformational behavior，creep deformation，recrystallization 1引言

從80年代初第一代單晶高溫合金研制成功以來，單晶合金的發展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現和應用，為航空發動機和地面燃氣輪機的性能大幅度提高做出了重大貢獻。

鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫性能，是目前制造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發動機的設計需求，多年來，各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發。

鎳基高溫合金作為先進發動機葉片的主要用材，其再結晶問題日益受到重視。在生產和服役過程中，由于單晶凝固過程中模殼收縮、機械去除模殼、葉片的研磨校形等過程難以避免會在單晶葉片中引入一定的塑性變形。帶有塑性變形的葉片在高溫熱處理以及實際使用過程中會發生回復和再結晶。由于鎳基單晶高溫合金中不含或只含有少量的晶界強化元素，再結晶層成為合金性能薄弱的區域，這些區域將對葉片的高溫性能造成不利的影響，甚至會導致整個葉片在極短的時間發生失效斷裂。因此需嚴格控制再結晶的發生。所以了解單晶高溫合金的變形行為和再結晶是很重要的。

2正文

2.1單晶高溫合金

單晶高溫合金具有優良的高溫性能，是目前制造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發動機的設計需求，多年來，各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發。

到目前為止，單晶合金已發展了5代。根據可靠的文獻提供，單晶高溫合金成分的發展有以下特點：

1)C, B, H從“完全去除”轉為“限量使用”。這幾種元素歷來被看作是晶界強化元素，而且使合金初熔溫度降低。由于單晶合金沒有晶界，又要求具有寬的熱處理窗口，故在最初發展的商用單晶合金(如PW A 1480, CM SX10合金(含6 %的Cr)的相當，還優于含9%的Cr的DSMAR-M 002合金。這是由于合金中Ta, Re的含量較高(Ta+ Re≈15%)。Cr的含量降低，就允許加入更多其他的合金化元素，從而保持組織穩定，這無疑對合金性能的提高極為有利。

4)稀土元素和Ru, Ir的應用。在第2、3代單晶合金中，有許多添加了Y, La, Ce等稀土元素。Y的加入(>200*10-6)可以明顯改善單晶合金的抗氧化性能，而且對熱疲勞性能也有好處。俄羅斯的二36合金不含Ta只含2%的Re但其持久強度卻達到第2代單晶合金的水平，原因之一是加入了稀土元素。另外，值得注意的是，在發展第2、3代單晶合金中，試用了1種非常特殊的元素Ru；General Electric和ONERA公司最先對添加Ru的合金進行了合金化實驗。通過實驗可知，與Re相比，Ru最明顯的優勢是具有較低的密度和較低的TCP相析出的傾向；添加Ru的單晶高溫合金表現出優異的高溫蠕變性能。

鎳基單晶高溫合金是高度復雜化的合金，通常含有6~10個合金化元素。在顯微組織正常的鎳基高溫合金中，主要是γ相和γ’相，還有幾種相是在合金的服役過程中析出的。下面簡單介紹下這幾個相。

1)γ基體。γ基體是通常含有較大數量固溶元素(如Co, Cr, Mo和W)的連續分布的面心立方結構的鎳基奧氏體相。盡管Ni不具有高的彈性模量和低的擴散率，但γ相基體非常適用于在最苛刻的溫度條件下工作的燃氣渦輪發動機。有些合金能在0.9Tm(熔點)溫度下使用，且在較低溫度下的使用時間可達100000h,其基本原因在于:Ni的第3電子層基本飽和，在合金化時容量大，相的穩定性很高；當加入Cr后，形成富Cr203的具有低的陽離子空位的保護層，從而降低了金屬元素向外擴散的速率以及0,N,S和其他腐蝕氣體向內的擴散速率;在高溫下形成富Al203保護層，具有良好的抗氧化性。

2)γ’相。γ’相是1種以Ni3A1為基的金屬間化合物，與基體一樣都是面心立方結構，且2相的點陣常數相差很小，γ’相總是在γ基體上共格析出，是鎳基高溫合金中最重

要的強化相。

3)碳化物相。在以前的鎳基單晶高溫合金中，一般不含有碳化物相。但隨著合金成分的不斷發展，少量C的添加使單晶高溫合金中出現了碳化物。碳化物的反應會影響合金基體的組織穩定性。鎳基單晶高溫合金中可能出現的碳化物類型有MC,M6C和M23C6。根據形成條件，又可分成初生碳化物和次生碳化物，即合金凝固時形成的和固態析出的2種。但是，與多晶合金和定向凝固合金相比，鎳基單晶合金碳化物的含量是非常低的。

4)TCP相。某些成分控制不當的合金在熱處理或服役時會產生TCP有害相，只有四面體空隙。TCP有害相的特征，是沿著fcc基體的八面體的面以“編籃”網絡的形式構成原子密排面。這種相通常呈薄片狀，常常在晶界碳化物上形核。在鎳基合金中最常見的是σ相和μ相。

σ相屬于四方點陣，單位晶胞中有30個原子，最大配位數為15。σ相的成分范圍比較寬；在鎳基合金里，σ相的成分可認為是(Cr, Mo)x（Ni, Co）y。這里x和y的變化范圍很大，一般為1~7。σ相非常硬，呈片狀，是裂紋的重要發源地，也會加速裂紋的擴展，導致低溫脆斷，就像σ化的鐵素體不銹鋼一樣。σ相的結構與M23C6碳化物的結構相似，如果除去M23C6碳化物中的碳原子，只需稍微調整金屬原子的位置就可變成σ相的結構。

μ相屬于菱方晶系點陣，結構復雜，單位晶胞有13個原子，典型的分子式為B7A6。B元素指周期表中VⅢ族元素，A元素為V族、VI族元素。在鎳基高溫合金中，μ相主要由Ni、Co, W和Mo組成。μ相與M6C碳化物有相似的密排關系。μ相通常也呈片狀析出，但對它對性能的有害影響知道得還很少。

TCP相的形成主要受電子因素控制，與合金的電子空位數有關。因此，可以通過計算合金中的電子空位數Nv值來預測TCP相的形成。

2.2單晶高溫合金的變形行為

鎳基單晶高溫合金因具有優異的蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等綜合性能，而被廣泛應用于航空發動機和工業燃氣輪機的葉片材料。渦輪葉片作為渦輪噴氣發動機的心臟部位，在服役過程中，工作溫度最高，受力最復雜，最容易損壞，已成為發動機發展的決定因素.為了滿足現代航空和航天發動機渦輪葉片承溫和承載能力越來越高的要求，必須有效提高合金的綜合性能，大力發展新一代渦輪葉片材料為此，一方面需通過從多晶鑄造合金、定向結晶合金到單晶合金的轉變，逐步消除高溫下晶界的弱化作用；另一方面需通過合金化、微合金化以及組織設計大幅度提高合金的性能。

如上所述，鎳基單晶高溫合金是一種兩相復合材料，由基體γ相和以立方結構存在的γ’沉淀相組成，如圖1所示。γ’沉淀相均勻鑲嵌在軟的γ基體相中，是重要的強化相，其體積分數約為70%。鎳基單晶高溫合金良好的高溫力學性能直接來源于γ基體中共格析出的高體積分數的γ’相，其力學性質主要由以下因素決定：

1)γ’沉淀相的形狀、尺寸、體積分數以及分布狀態。

2)γ/γ’相界面的微觀結構、彈性模量差以及晶格錯配度。3)第3種溶質元素和雜質的影響，即沉淀強化和固溶強化機制。鎳基單晶高溫合金是在普通鑄造及定向凝固工藝的基礎上發展起來的，其特點是無晶界，不存在高溫晶界弱化和縱向晶界裂紋等問題.因此，γ/γ’相的界面微結構以及在外載和高溫條件下相界面位錯結構的演化決定了其力學性能。

圖1 鎳基單晶高溫合金CMSX4微觀結構

此外，鎳基單晶高溫合金有一個引人注意的特征:在高溫施加應力的條件下，立方形γ’沉淀相會發生定向粗化形成筏狀。2.2.1鎳基單晶高溫合金的蠕變性能

離心應力導致的蠕變損傷是單晶合金葉片的主要失效機制，因此蠕變強度是反映鎳基單晶高溫合金高溫力學性能的重要指標.由于γ’相是鎳基單晶高溫合金的主要強化相，γ’顆粒的定向粗化在葉片典型使用條件(120 MPa及1373 K)下僅僅lOh就已經出現，其形態的改變必然會對高溫合金性能產生嚴重影響。2.2.2蠕變過程及驅動力

鎳基單晶高溫合金的蠕變曲線由蠕變減速、穩態蠕變及蠕變加速3個階段組成，圖2給出了(001)取向鎳基單晶高溫合金的典型蠕變曲線.葉片在服役過程中主要經過這3階段的蠕變，最終導致失效。

圖2 單晶高溫合金的典型蠕變曲線

在施加載荷的瞬間，產生瞬間應變，形變產生的界面位錯在合金的γ基體通道中滑移，在蠕變第一階段，γ’相不發生滑移變形，僅僅發生彈性變形，只有γ基體相發生蠕變變形。隨著蠕變的進行，位錯數量增加，或運動位錯相遇發生反應而增殖，使位錯運動阻力增加，致使應變速率降低。同時，由于熱激活作用，促使位錯滑移，或異號刃位錯相遇而消失，使合金產生回復軟化。當形變硬化與回復軟化達到平衡時，蠕變進入第二階段，即穩態階段。此時立方γ’相已完全轉變為筏狀結構，具有最低應變速率、穩態蠕變期間的變形機制是位錯攀移越過筏狀γ’相。之后，隨著蠕變的進行，大量位錯運動至γ/γ’界面，產生應力集中。當應力集中超過一定值時，有位錯切入γ’相.隨位錯切入γ’相數量的增加，γ’相形變抗力減弱，致使應變速率增加，合金蠕變進入第三階段。在蠕變第三階段，隨應變量的增加，合金中形成微裂紋及微裂紋擴展直至斷裂，最終導致單晶高溫合金的失效。

從細觀結構來看，鎳基單晶合金由基體相γ和強化相γ’組成，蠕變前立方體狀γ’相以共格方式嵌入γ基體中。在蠕變的初始階段，伴隨著合金γ基體中的位錯運動，γ’相首先遵循一定的規律筏化(N型或P型)，在宏觀上主要對應于蠕變第一階段。最小體系自由能分析表明，這是一個能量降低的過程，有利于蠕變強度的提高；蠕變第二階段在細觀層次上筏化結構保持不變，而微觀觀測表明，位于相界處的有利于提高蠕變強度的三維位錯網絡逐漸消散，這意味著相界面結合能正在逐漸降低.蠕變的第三階段表現出解筏和筏結構粗化，同時有一些空穴在材質松疏處、第三相粒子以及相界面上形成，并沿相界面擴展，最終導致斷裂。

從以上對鎳基單晶合金蠕變過程中微結構演化的分析表明：鎳基單晶合金的蠕變性質由3個具有內在聯系的微結構演化過程控制：

1)γ基體通道中位錯密度增加，位錯滑移和位錯攀移控制主蠕變階段，此時γ’相已完成筏化；

2)由于位錯的湮滅，基體相中的位錯切入γ’沉淀相中；

3)隨著大量位錯切入γ’相，γ’相形變抗力減弱，致使應變速率增加，表現出解筏和筏結構粗化。從以上分析可知，鎳基單晶合金蠕變過程中出現的γ’相筏化、解筏以及粗化過程對應著γ/γ’相界面位錯密度的增加、位錯網結構的形成以及位錯網的破壞過程.因此，鎳基單晶合金的蠕變過程不僅是組織形狀的演化過程，也是位錯網結構的演化過程，與γ’相的定向粗化(筏化)密切相關。2.3單晶高溫合金的再結晶 2.3.1再結晶物理過程

單晶葉片制造過程中在某些環節可能出現塑性變形，例如葉片凝固過程產生的熱應力、表面吹砂處理、打磨處理等，都有可能導致在葉片中發生形變，而產生殘余應力，組織結構方面發生了復雜的變化，一部分能量以點缺陷、位錯、層錯等方式儲存在晶體當中，集中表現為能量的升高，即較之變形前處于不穩定的高自由能階段，這部分能量，正是之后在熱處理中發生回復和再結晶的驅動能。因此，只要當溫度較高，原子擴散能力提高時，就會向著低自由能方向轉變，這些區域在接下來的熱處理過程中可能產生再結晶，圖3給出了典型的單晶高溫合金葉片的再結晶缺陷。

圖3 單晶高溫合金葉片再結晶缺陷

已有研究表明，單晶高溫合金的再結晶包括回復、再結晶形核和生長、以及由晶界遷移引起的晶粒長大3個階段，這3個階段并沒有明顯的界限，會發生一些重疊?；貜瓦^程中，部分應力和儲存能得以釋放，但該過程對微觀組織的影響很小，大部分能量仍然保存下來，然后通過形核和長大形成基本無應變的新晶粒。但由于單晶消除了晶界的影響，因而單晶合金的再結晶與普通變形金屬和合金再結晶有著很大的區別，單晶高溫合金再結晶需要的溫度較高，再結晶區域基本僅限于合金表面。2.3.2影響單晶高溫合金再結晶的主要因素

除合金元素對再結晶溫度有顯著影響外，研究表明，熱處理溫度、熱處理時間、變形程度以及變形工藝等也將影響單晶高溫合金的再結晶行為。2.3.2.1合金成分的影響

鎳基高溫合金通常含有十余種合金元素，成分復雜。不同體系合金表現出不同的再結晶行為。由于鎳基高溫合金中各元素的復雜交互作用，很難直接確定各元素對合金再結晶行為的影響。截至目前，除合金元素碳外鮮見其他合金元素對再結晶行為影響的直接研究報道。由于碳化物可以在γ’相溶解溫度以上穩定存在，所以碳元素對再結晶的影響得到關注。

在含碳0.08%(質量分數，下同)的合金中形成了大尺寸的塊狀和骨架狀碳化物。在經過1.88%壓縮變形及固溶處理后，與不含碳合金表現出類似的再結晶行為，合金都發生了再結晶，再結晶晶粒都從表面向內部發展。而且，含碳合金與不含碳合金在固溶處理后都發生了程度相當的再結晶。認為碳化物雖然對再結晶晶界的遷移有一定的抑制作用，但在驅動力足夠大時，再結晶晶界仍可繞過碳化物繼續遷移。碳化物可以以粒子促進形核的方式形成再結晶核心，但在再結晶晶粒長大過程中，碳化物阻礙再結晶晶界遷移。這種碳化物對再結晶的不同作用可能與合金中碳化物的種類以及變形和熱處理條件的不同有關。2.3.2.2退火溫度的影響

單晶高溫合金中的再結晶與一般金屬和合金的再結晶不同。再結晶后形成了新的晶界，且再結晶后合金的性能明顯降低。而且已不能簡單的定義再結晶完成50%的溫度為再結晶溫度，對定向凝固和單晶高溫合金來說，少量的再結晶即可引發性能的大幅變化。目前針對某類單晶高溫合金確定其允許的臨界再結晶體積分數仍鮮見到報道，因此，可以認為，出現再結晶的溫度即為其再結晶溫度。

由于具有共格γ’相的鎳基高溫合金在溫度變化過程中將發生相變，導致退火溫度變化時高溫合金再結晶晶界及附近的過飽和溶質原子會以不同方式在晶界或晶內重新析出。因此，在γ’相固溶溫度以上熱處理將形成正常再結晶組織，在γ’相固溶溫度以下熱處理產生胞狀再結晶。

在γ’相固溶溫度以下熱處理時，如果儲存能足夠大，將產生胞狀再結晶。由于熱處理溫度較低，大量的γ’粒子仍未溶解，再結晶晶界溶解部分γ’粒子后，晶界上溶質原子的高度過飽和只能通過不連續沉淀的方式析出得以緩和。因此，以下兩個條件有利于不連續沉淀(胞狀再結晶)的發生：快速的晶界溶質原子傳輸和缺少可選的γ’粒子形核位置。胞狀再結晶的形態特征為：靠近再結晶晶界處為垂直于界面排列的長條狀粗大的γ’沉淀，在再結晶中心處為等軸狀的γ’粒子。新形成的γ’粒子與再結晶晶粒內的γ’基體仍然保持共格且取向一致。胞狀再結晶的驅動力為預加工導致的內在應變能的降低。

在γ’相固溶溫度以上熱處理時，枝晶干γ’粒子先溶解，再結晶首先在枝晶干產生。由于γ’粒子的溶解，導致γ’粒子對晶界遷移的阻礙較小。因此，晶界上溶解的溶質原子過飽和程度不大，同時溫度較高時晶界擴散能力較強，溶質原子可以在再結晶晶界后端充分析出，形成正常的再結晶組織。

同時，對SRR99和AM3單晶高溫合金在表面噴丸變形條件下的再結晶深度研究發現，隨退火溫度的升高，再結晶深度明顯增加，表明退火溫度對再結晶程度具有顯著影響。已有的其他單晶合金的研究也表現出再結晶程度隨退火溫度的升高而增加的現象。

另外，有研究人員觀察到對單晶高溫合金進行壓縮變形再固溶處理形成了完全再結晶組織。完全再結晶的晶界基本穿越整個試樣，形成較大尺寸的新晶粒。這類再結晶將使合金的取向發生大幅度變化，可能出現大范圍的性能薄弱區域，使單晶合金的性能陡降，甚至在后續加工過程中即發生失效斷裂，在生產應用中應嚴格避免。2.3.2.3其他因素的影響的影響

除退火溫度外，退火時間也對高溫合金再結晶行為具有一定的影響。經硬度計壓痕變形的CM-SX-4合金在不同溫度退火時，再結晶區域的面積均隨退火時間的延長而增加。另外，不同變形方式的變形程度不同也將影響其再結晶行為。變形程度越大，越容易發生再結晶。[100]和[110]取向的再結晶區域面積明顯不同。因此，晶體取向對單晶高溫合金的再結晶也具有一定的影響。

2.3.3再結晶對單晶合金性能的影響 2.3.3.1持久蠕變性能

離心應力導致的蠕變損傷是單晶合金葉片的主要失效機制，因此持久強度是單晶合金的重要性能指標。再結晶對持久性能的影響直接關系著合金使用的安全性。再結晶對合金持久性能影響很大，其原因是再結晶層幾乎沒有承載能力，出現再結晶就意味著增大應力。再結晶對單晶高溫合金的持久性能具有明顯的影響，且低溫高應力下的持久性能的下降比高溫低應力下更加顯著。2.3.3.2疲勞性能

疲勞斷裂是定向凝固和單晶高溫合金葉片的主要失效形式，而表面再結晶層會嚴重影響定向凝固和單晶高溫合金的疲勞性能。表面再結晶層由于含有與主應力相垂直的晶界，往往成為疲勞裂紋源。定向凝固DZ4合金葉片在使用過程中曾發生過多起葉身裂紋故障和斷裂故障，經分析發現，DZ4合金葉片葉身裂紋與斷裂為同一失效模式，均為葉片表面再結晶導致的疲勞失效。

2.3.4再結晶的抑制和消除

由上述研究結果可知，單晶高溫合金的再結晶對合金的力學性能造成極為不利的影響。因此科研人員已開始致力于控制和消除再結晶的研究。目前公開的控制工藝主要可以分為回復處理和表面處理兩大類，其中表面處理包括直接去除表面變形層、滲碳和表面涂層等方法。

回復熱處理對抑制生產工藝中形成的約2%一5%變形所致的再結晶具有良好的效果。還有研究顯示含有晶界強化元素的涂層幾乎完全可以抵消胞狀再結晶對合金疲勞壽命的影響；同時，表面涂覆含有晶界強化元素的涂層的再結晶試樣比涂覆傳統涂層的再結晶試樣具有更高的疲勞壽命。

3結語

近來，國內具有優異性能的鎳基單晶高溫合金航空發動機葉片已進入實際應用階段。而再結晶作為單晶生產使用過程中難以預測的降低其可靠性的主要問題之一，已開始引起人們的重視。盡管目前人們已對單晶高溫合金的再結晶有了一定的認識，但研究工作缺乏系統性，仍有許多問題有待解決。對上述問題的深入研究并對單晶高溫合金的蠕變性能的研究，將有助于提出有效控制再結晶發生的工藝，提高單晶高溫合金零件的成品率，降低成本，增加航空發動機的安全性。

對于本次課程設計的感想有很多。

首先，這是繼參加楊平老師的興趣小組以來第二次寫論文，就是方法不一樣。不是自己做實驗然后寫論文，而是閱覽各種文獻然后自己找出一個線索和框架來展開整篇文章，寫起來比較困難。但是在總結概括還有在海量文獻中信息提取等方面的能力明顯提高了很多。在興趣小組主要學到的是科研方面實踐能力和初次寫文章的經驗。所以在課程設計寫論文時，查文獻還有撰寫論文方面都比較容易上手了。在閱覽海量文獻時，先把關于本課題的一些題目范圍廣一點的文獻看一遍，腦子里想好單晶高溫合金有什么好寫的，我要怎樣去寫，從幾個方面著手等等。然后先把幾個可寫點找出來，再翻閱一下網頁上關于單晶高溫合金的哪方面做的研究多，我就多看些哪方面的文章，多寫哪方面。

其次，就各個要寫的點尋找資料和信息，把需要的都保存起來，這算是資料整理階段吧。整理好了就知道哪方面資料多、繁，哪方面重復性的信息多，要刪減。而且哪些超出理解范圍的，都要刪掉。還有一個注意到的方面時，文獻的日期，感覺這個挺重要的。兩個文獻在某方面說法有出入，日期久遠的那個可能就是有所欠缺的了。這時候每個可寫點都有好多的信息和資料了。然后，開始文獻閱讀，把收集整理好的信息了解，并規劃好提綱開始撰寫論文。

還有就是論文排版過程，感覺邊寫邊排版會容易一點，因為自己知道文章框架的話可以一步一步展開。最后再看一下字體和段落，還有圖片標題什么的問題。在排版方面又得到提高了。

最后，覺得在本次課程設計收獲還是很多的。希望在以后的學習生活中能好好應用到這些技能。

4致謝

感謝老師和同學們的幫助，在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。感謝學院為我提供良好的做畢業設計的環境。最后再一次感謝所有在設計中曾經幫助過我的良師益友和同學。

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第二篇：鈮合金高溫材料

我知道的高溫材料-含鈮高溫材料的應用現狀

摘要:高強妮合金具有比重小、強度高、韌性好、易焊接等優點，是制造高性能航空航天吃行器高溫部件的重要材料，研究者通過碳化物強化、高溫固溶淬火、人變形擠壓、時效和熱機械處理等方法研制出系列高強妮合金。航空航天高溫結構件減重是研究新型妮合金的一個重要方向，選用密度為6-7.2 g/cm3耐的系列低密度妮合金，無涂層可在700℃以下工作，加涂層可在1 200℃以下工作。本文綜述了含鈮高溫材料在航空航天工業以及民用工業中的應用。

關鍵詞：低密度鈮合金材料、航空航天工業、凃層、鈮合金 1前言

據有關資料統計 , 世界鈮總貯藏量約為3800 萬 t。巴西是世界第一鈮資源大國 , 其貯藏量和生產量最多 , 貯藏量約 2300 萬t,占世界總量的 60%。其次是澳大利亞、加拿大、前蘇聯等國家。中國也是鈮資源較豐富的國家 ,貯藏量占世界總量的 17% 左右。豐富的自然資源是鈮工業發展的重要保障和優越條件。近年來 , 世界對鈮的需求趨于穩定發展。

妮與其它高溫結構材料一鎢、鉑、鎳、鋼等相比，具有熔點高、密度小、塑韌性和焊接性能好、比強度高等突出的優點，是更高溫度使用的新型航空航天結構件的備選材料。妮合金按照強度和塑性的不同，分為高、中、低強妮合金，國外中、低強妮合金在1970年前后己研制成熟;高強度鈮合金的研究從20世紀70年代開始，分為固溶強化為主和彌散強化為主兩種，國外(主要是前蘇聯和美國)對高強鈮合金制備技術進行了深入研究，我國在該類材料的研究還屬空白。低密度鈮合金是先進航空航天發動機和小推力火箭發動機的重要候選材料之一。但是，鋸合金材料抗氧化性能差，純金屬鋸在600℃即存在氧化現象，隨著氧化進一步加重，氧化物與金屬界面上產生的內應力使氧化層開裂，之后發生災難性氧化，嚴重影響了材料在高溫有氧環境下的應用。因此，鋸合金作為高溫結構材料應用的關鍵性問題是提高其抗氧化性能。本文主要講述含鈮材料高溫應用現狀及特點。2航天航空工業用鈮

航天航空工業是是高純鈮的主要應用領域。多數用作各種火箭和飛船的發動機和耐熱部件。據報道 , 最新設計的重返地球的航天飛機中 , 約用鈮 2700kg。N b 2 10Hf 等合金用于發射通訊衛星的火箭助推器。N b-1Zr 等合金可使火箭推進控制達數千次起動的要求 ,用于火箭軌道調整和阻力補償發動機、航天飛行器的反作用控制發動機等。軍用飛機用鈮量與日俱增 , 目前已達到空前水平。在美國 , 實際上所有的噴氣式戰斗機發動機的耐熱部件都采用鈮耐熱合金 , 如每臺 F — 15 和 F — 16 戰斗機的發動機分別用鈮 78kg 和鈦 2400kg。

新型鈮材料低密度鈮合金的優點是密度小、比強度高、抗氧化性能優于高妮含量的妮合金(Nb+W>80%，質量分數)，能夠與常用的妮合金和欽合金焊接，缺點是室溫塑韌性較差。不加抗氧化涂層可在550-800℃大氣環境中使用而不被氧化，加抗氧化涂層可在800-1 300℃大氣環境中使用，當涂層破壞后，合金基體不會立即被燒穿和破壞。航空航天高溫結構件減重是研究新型鈮合金的一個重要方向，選用密度為 6 ~7.2 g /cm3的系列低密度鈮合金，無涂層可在 700 ℃以下工作，加涂層可在 1 200 ℃以下工作，低密度妮合金材料的制備方法很多，有真空燒結法、熱等靜壓法、電弧熔煉法、等離子熔煉等。采用粉末冶金法很容易獲得成分均勻的合金材料，但由于雜質元素含量高，材料硬脆、塑性較差。熔煉是常用的合金制備方法，由于合金中的Nb、Ti、Al元素熔點、密度相差很大，給熔煉均勻合金成分鑄錠帶來很大困難。等離子熔煉是一種很好的熔煉方法，真空自耗電弧熔煉法生產的鑄錠易出現偏析、氣孔和裂紋等缺陷。近幾年，激光和電子束快速成型技術在金屬零件的制備方面發展很快，采用3D打印技術制備復雜形狀和薄壁妮合金零件成為一個新的研究方向。含鈮高溫合金在民用工業中的應用（1）柴油機﹑內燃機增壓渦輪

年代以來，歐美等國增壓渦輪材料多采用 Inconel713C 鎳基合金和 X-40鈷基合金，前蘇聯的渦輪材料為ЭП-787Л和 BЖ36-Л3,此外美國和日本還采用CRM-6D 鑄造耐熱鋼制作增壓渦輪。經過多年開發,K213 和 K218 合金精鑄的增壓渦輪已經廣泛用作坦克﹑船舶﹑冶金礦山﹑農用機械﹑石油鉆機﹑大型運輸載重車輛等領域的發動機上,推廣應用的柴油機增壓器型號近30 種,內燃機車型號有 45GP80 和 1301 等.10 余年來，鋼研總院﹑濟南柴油機廠﹑濰坊柴油機廠﹑戚墅堰機車車輛所等單位已經形成批量生產基地，年生產量達 15000 件以上。

（2）玻璃工業離心頭

離心頭是離心噴吹玻璃棉的關鍵部件，1250℃的熔融玻璃在離心頭的2400r/min 轉數的離心作用下，通過離心頭側壁的 7000 個φ1mm 小孔,甩制成φ7μm 以下的玻璃棉.離心頭長期處于 980 攝氏度高溫高速旋轉下工作，既受高溫高速燃氣的氧化腐蝕和直接沖刷，又受高堿熔融玻璃的沖刷和腐蝕(3)石化工業應用

乙烯是石油化工的三大合成材料的基礎原料之一.乙烯的生產能力標志各國石化工業的發展水平。我國 70 年代初即開始引進大型的乙燃裝置。生產乙烯的裝置是乙烯裂解爐，高溫爐管是乙烯裂解爐的關鍵部件。裂解爐管在 1000℃以上高溫下長時間工作，又處于腐蝕性介質氣氛下，目前世界各國主要采用高鉻鎳合金并通過離心鑄造法生產。1993 年首批 ZG4Cr25Ni35WNb 合金爐管安裝在盤棉天然氣化工廠的 SRT-IXHS 型裂解爐第一程爐管，該爐管原采用日本久保田公司的 KHR35C-HISI 合金鑄管，管壁設計溫度為 1150℃。目前使用時間已達 6000小時。4 結語

低密度妮合金的比強度高于高溫合金，塑性適中、焊接性能好，它的突出優點是比重小，是未來航空航天提高使用溫度、減輕高溫結構件重量的必選材料，但大尺寸低密度妮合金材料的制備技術尚需深入研究。

現在使用鈮合金，將巨大地推動了鈮合金的應用；或用于一個好的投資項目，比如，載人的國際間星際探險計劃，或用于大規模、威脅到世界和平以及伴隨著非法武裝的計劃。由于超音速飛機的應用，我們樂觀地看到鈮合金是具有優勢的材料，能夠用于制作超音速沖壓式噴氣發動機的部件。大體上說，政府投資鼓勵鈮合金發展計劃（特別是多重的、平行的）不可能再發生。除非開辟一些獨特的領域，新產品尺寸的提高伴隨著使用更大尺寸的噴氣防護罩，可能會在一定程度上推動 C103 合金薄板的消費。過去的一些老合金可能被重新使用的情況未必能出現。自由貿易仍占主導地位，像其它特殊材料一樣，鈮合金的應用也將建立在優良的性能以及合適的價格基礎上。提高涂層的性能，能夠擴展鈮合金的使用范圍。優良的性價比將推動鈮合金未來在高溫領域中的應用。

第三篇：高溫合金應用領域及需求

高溫合金應用及市場需求

(2013-03-01 23:15:20)轉載▼

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1、高溫合金需求概況

高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域，由于其有著優良的耐高溫、耐腐蝕等性能，逐漸被應用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業領域，從而大大的拓展了高溫合金材料的應用領域。隨著高溫合金材料的發展，新型高溫合金材料的出現，高溫合金的市場需求處于逐步擴大和增長狀態。

目前，國際市場上每年消費高溫合金材料近30 萬噸，被廣泛應用于各個領域。

我國目前高溫合金材料年生產量約1 萬噸左右，每年需求可達2 萬噸以上，市場容量超過80 億元。（數據來源：中國金屬學會高溫材料分會）。

而我國目前的生產能力與需求相比存在兩個缺口：

（1）生產能力不足

目前我國高溫合金生產企業數量有限，生產能力與需求之間存在較大缺口，在燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。

（2）高端產品難以滿足應用需求

我國的高溫合金生產水平與美國、俄羅斯等國有著較大差距，隨著我國研制更高性能的航空航天發動機，高溫合金材料在供應上存在無法滿足應用需求的現象。我國高溫合金企業一方面需要提高研發能力，另一方面還需要提高裝備水平，使自身具備生產更高性能高溫合金材料的實力。

目前本公司主要面向的市場為航空航天、發電領域使用的高端和新型高溫合金，該領域市場的高溫合金需求量在3000 余噸，且每年呈15%以上的速度增長。（數據來源：中國金屬學會高溫材料分會）。

高端和新型高溫合金需求增加主要來自于兩個方面：

第一，我國發展自主航空航天產業研制先進發動機，將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。

第二，我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備制造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高，拉動了對發電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產化研制的新一代發電裝備－大型地面燃機（也可作艦船動力）取得了顯著進展，實現量產后將帶動對高溫合金的需求。同時，核電設備的國產化，也將拉動對國產高溫合金的需求。

2、航空航天領域的應用

高溫合金從誕生起就用于航空發動機，在現代航空發動機中，高溫合金材料的用量占發動機總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外，還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件（圖6－5）。航空航天產業屬于戰略性先導產業。世界航空航天市場總額已高達數千億美元，并且正以每年10%左右的速度穩步增長。

3、我國發展自主航空航天產業拉動高溫合金材料需求

中國航空工業是在新中國成立以后，經過50 多年的建設和發展，已先后研制生產了8 大系列30 多種機型1400 多架貨運飛機、旅客機和通用飛機，具備了飛機設計、制造、試驗、試飛、適航取證等研制和生產能力。

在過去的幾十年中，我國航空工業主要經歷了四個發展階段，1951~1960 年：中國航空工業完成產業基礎建設。1961~1980 年：中國航空工業發展的黃金20 年。

1981~2000 年：中國航空工業在曲折中前進。2001~2008 年：中國航空工業進入全新發展階段。特別是在2001 到2008 年，這幾年中，不少具有自主創新的產品也在不斷問世。在2004 年，殲10 定型批量生產標志著我國成為全球少數能夠自主研制第三代先進戰斗機的國家。2006 年3 月，十屆人大通過了“十一五”規劃綱要，大型飛機研制被列入綱要，并在高技術產業工程重大專項中占據顯著位置。2007 年12 月，ARJ21總裝下線標志著我國首個自主研發支線客機項目取得突破性進展。2008 年3 月，中國商飛有限公司在上海掛牌成立，相關科研和人才培養工作全面啟動。（資料來源：中航集團總經理林左鳴：《2009，我國航空工業的成人禮》）

國內目前最主要的航空工業企業是中國航空工業集團公司（根據國家有關航空工業體制改革方案，中國航空工業第一集團公司、中國航空工業第二集團公司重組整合成中國航空工業集團公司，并于2008 年11 月8 日正式掛牌），該公司注冊資本640億元，擁有企事業單位近200 家，擁有上市公司21 家，其中3 家在香港上市。據統計，中國航空工業集團公司2008 年實現總收入1,660 億元，同比增長12.31%。中航集團的成立整合了國內的航空產業，明確了航空產業發展方向和發展戰略。中航集團成立后提出了未來9 年經濟規模將以每年高于20%的速度遞增的目標，到2017 年躍上一萬億元的臺階。（資料來源：中國航空工業集團公司網站）。

第七屆珠海航展上，中航集團公布了2008-2027 年民用飛機中國市場預測年報。根據該年報，未來20 年中國航空客運周轉量的年均增長率為8.3%，中國民航需要補充各型民用客機3815 架，其中大型噴氣式客機2822 架，支線飛機993 架。預計到2027年，中國的民用客機機隊規模將達到4250 架，貨機機隊規模將達到604 架。

目前國內生產和發展的民用機型主要有：

直升機：我國目前主要的直升機總裝企業是中航集團旗下的哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，主要產品為直9 系列直升機、H425 型直升機、HC120 直升機、EC120直升機等。直9 的國產化程度已經超過90%，是我國直升機主流機型。哈飛集團控股的哈飛股份2008 年航空產品銷售收入20.8 億元，其中主要是直9 系列直升機，該產品訂單在“十一五”期間仍將保持穩定增長。該公司在直9 基礎上通過技術改造研制成功的H410 和H425 型直升機還擁有可觀的民用和國際市場前景。目前哈飛集團與歐洲直升機公司聯合開發的直15 型項目，該機屬于世界上最先進的6 噸級中型機之一，由哈飛集團與歐洲直升機公司聯合研制生產，目前已獲確認訂單150 架，2008年已交付首架機身，預計2010 年開始量產。中航集團預測，今后20 年內，中國將需要3,000 架直升機，而目前全國僅有百余架，市場空間非常大。（資料來源：哈飛股份2008 年年報及相關研究報告）

運輸機：運輸機是專門用來運送貨物和旅客的飛機，民航客機是運輸機的一種。

我國的運輸機主要是Y 系列的運輸機，如Y7（即運-7）、Y8、Y10，Y11 和Y12F。

該系列機型可用于空投、空降、運輸、救生及海上作業等多種用途。主要由中航集團旗下的陜西飛機工業（集團）有限公司、哈飛股份等生產。Y12F 飛機是哈飛股份采用先進技術研發的新一代通用/支線渦槳飛機，能夠乘坐19 名旅客并滿足散裝裝載，可用于海洋監測、航拍航測、遙感、物探、空投、空降等長航時通航作業。該機擁有大容量的機身設計和良好的短距起降性能，采用最先進的綜合航電系統，人機界面好，乘坐舒適，巡航速度快，商載重量比高，滿油與滿載航程長，使用成本低，具有較強的市場競爭力。2008 年第七屆珠海航展上，哈飛股份與中國航空技術進出口總公司就Y12F 飛機收購達成協議，簽下了20 架共價值8 億元的Y12F 飛機收購框架協議。Y12F飛機計劃2009 年完成首飛和調整試飛，2010 年完成試航驗證地面試驗與飛行試驗、取得CAAC 型號合格證，2011 年取得FAA 型號合格證。（資料來源：2008 年第七屆珠海航展有關新聞報道）支線飛機：支線飛機是指座位數在50 座到110 座左右，飛行距離在600 公里至

1200 公里的小型客機。我國國土幅員遼闊，對于支線飛機的需求量呈逐年上升態勢。

目前我國國產的支線飛機主要有新舟系列和ARJ21 系列。我國新舟系列主要是新舟60 及其升級換代產品新舟600。新舟600 采用渦輪螺旋槳發動機，具有成本低廉、燃油消耗少等優點。2008 年11 月在第七屆珠海航展，中國民航飛行學院與中航西飛公司簽訂購買2 架新舟600 的購機合同，成為首個用戶。2010-2012 年，新舟600 將達到年產10-15 架生產能力，最終形成30 架的年生產能力。中航集團旗下的西安飛機工業（集團）有限責任公司是該機型的生產企業，預計未來10 年新舟600 在全球市場需求量將超過300 架，國內超過120-150 架。目前新舟700 的研制工作也已全面啟動。

ARJ21 翔鳳客機是中國商用飛機有限責任公司研制的雙發動機支線客機，是新一代支線噴氣式客機。ARJ21 翔鳳客機是70～90 座級的中、短航程渦扇發動機支線客機，擁有基本型、加長型、貨機和公務機等四種容量不同的機型。2008 年11 月28 日首架ARJ21-700 飛機在上海飛機制造廠首次試飛，飛行62 分鐘后降落，取得成功。首飛完成后，隨即進入試飛試驗、適航取證等投入市場前的階段。經過相當于18 個月運行期的穩定飛行，在相關型號得到審定后，向用戶進行交付。

干線飛機：干線飛機是相對于支線飛機來說的，干線飛機一般是指航行城市與城市之間載客量大、速度快、航程遠的飛機，比如波音737、空客320 等，世界上有能力生產大型干線飛機的有美國、俄羅斯、烏克蘭、歐洲等6 家公司。研制大型飛機及其發動機是黨中央、國務院在新世紀作出的具有重大戰略意義的決策。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和“十一五”規劃綱要中，國家已經把大型飛機列為重大專項工程，而且要求最終配裝具有自主知識產權的大涵道比渦扇發動機，包括軍民兩用型大型飛機發動機，這是必須實現的國家戰略目標。2008 年5 月，我國啟動了大飛機項目，由國務院國資委牽頭，與中國航空工業第一集團公司、中國航空工業第二集團公司等央企組建了大型飛機公司，注冊資本金為190 億元。據報道，整個大飛機項目的研發費用投入大概在600 億元，其中用于大型民用客機的研制費用大概有400億元，用于大型軍用運輸機研制的費用約為200 億元。大飛機的研制屬于高精尖項目，每架需用高溫合金、鈦合金近100 噸，起落架用特種高強度鋼約15 噸。（來自：新華網《上海寶鋼研制“大飛機”用鋼取得進展》一文）

我國自主航空航天產業的發展，必然帶動國內發動機制造企業的發展。目前國內發動機制造企業主要有西安航空發動機（集團）有限公司、沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司、中國貴州航空工業集團、成都飛機工業（集團）有限責任公司等公司。2009 年1 月18 日，中航工業商用飛機發動機有限責任公司在上海注冊成立，主要為大飛機項目配套研制和生產發動機。西航集團是我國大型航空發動機研制生產基地，先后研制生產了渦輪噴氣發動機、渦輪起動機、渦輪發電裝置、渦扇發動機及大功率燃氣輪機，生產的航空發動機主要包括“秦嶺”發動機、“太行”、“昆侖”發動機。2007 年西航集團航空發動機（含衍生產品）部分的營業收入為19.8 億元。（數據來源：吉林華潤生化股份有限公司重大資產出售、重大資產購買暨非公開發行股票報告書第88 頁）。

根據國家規劃，航天產業的發展主要圍繞五大工程實施：一是載人航天，二是月球探測，三是高分辨率對地觀測系統，四是“北斗”導航定位系統，五是新一代大型運載火箭。載人航天和月球探測兩項工程的主要目的是帶動我國科技水平的提高和發展。高分辨率對地觀測系統和“北斗”導航定位系統會更多的服務于經濟建設、社會發展和國家安全。新一代大型運載火箭，主要是提升中國探索空間的能力。從航天發展的經驗來看，重大工程的實施能夠有效拉動航天產業市場。

我國的“長征”系列火箭以及從“神舟”一號到“神舟”七號，發動機的核心部分都采用了高溫合金材料。據統計，從1999 年成立至2007 年，中國航天科技集團長征系列火箭共成功實施50 次發射任務，發射了自行研制的43 顆衛星、6 艘飛船和1顆月球探測器。在宇航領域，圓滿完成了神舟五號、神舟六號載人航天飛行和嫦娥一號繞月探測飛行任務，并取得商業衛星整星出口零的突破。根據已制定的《中國航天科技集團公司構建航天科技工業新體系戰略轉型指導意見》，中國航天科技集團公司到2015 年打造七個數百億規模的大型科研生產聯合體，形成十個左右主營業務收入過百億的公司，并且要實現國際化業務快速增長，整星出口占國際商業衛星市場10%左右，商業發射服務占國際市場15%左右，航天技術應用產業的產品出口額占其業務收入的20%左右。（數據來源：新華網《中國航天工業2015 年達國際先進》一文）目前，航天領域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運載發動機、小型渦噴渦扇發動機已經定型，并開始批量生產，國內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。

4、燃氣輪機領域的高溫合金需求狀況

燃氣輪機是高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質的旋轉式（見圖6－9）熱力發動機，它的結構與飛機噴氣式發動機一致，也類似蒸汽輪機。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內燃機，所以也叫內燃氣輪機。構造有四大部分：空氣壓縮機，燃燒室，葉輪系統及回熱裝置。

燃氣輪機的最大優點是不需連桿、曲柄、飛輪等裝置，又不需鍋爐，因此體積小、重量輕，功率大到100000～200000 千瓦，效率高達60%，廣泛用于船舶動力、發電等。

因燃氣輪機噴射到葉輪上的氣體溫度高達1300℃，因此葉輪需要用高溫合金來制造。

燃氣輪機分為輕型燃氣輪機和重型燃氣輪機，輕型燃氣輪機為航空發動機的轉型，如LM6000PC 和FT8 燃氣輪機，其優勢在于裝機快、體積小、啟動快、簡單循環效率高，主要用于電力調峰、船舶動力。重型燃氣輪機為工業型燃機，如GT26 和PG6561B 等燃氣輪機，其優勢為運行可靠、排煙溫度高、聯合循環組合效率高，主要用于聯合循環發電、熱電聯產。

目前燃氣輪機發電在世界上已廣為應用，其發電容量占世界總發電容量的11%。

由于燃氣輪機具有以上優點，在全世界發達國家，燃機電廠與燃煤電廠總安裝容量為接近1﹕1，并有超過的趨勢。燃氣輪機發電已是電力結構中的重要部分，在新增發電容量中更占重要成份。據報導目前全世界每年新增加的裝機容量中，有1/3 以上系采用燃氣－蒸汽聯合循環機組，而美國則接近1/2。據不完全統計，全世界現有燒油和燒天然氣的燃氣輪機及其聯合循環的裝機容量已超過4 億kW。近些年來，世界上發達國家常規聯合循環發電得到快速發展；每年新增的聯合循環機組總裝機容量約占火電總新增容量的40%～50%。當今世界上單臺燃機最大功率已達250MW，聯合循環總功率達350MW。現在燃氣輪機正向著大功率、高燃燒溫度發展。燃氣－蒸汽聯合循環已經成為世界上火電建設的重要組成部分。燃氣－蒸汽聯合循環發電已成為世界潮流。

從國際發展的趨勢來看，為了提高熱效率和增加機動性，需要發展大功率的（大于100MW）工業燃氣輪機組，這對材料提出了更高的要求。以渦輪葉片為例，因采用劣質燃料，加上地面工況條件差，特別是在高溫下（＞1300℃）、連續工作時間很長（以萬小時計），更需要耐熱腐蝕、抗沖刷的高溫合金和耐熱涂層。目前我國每年花費在進口渦輪葉片備件上就達上億美元。國內燃氣輪機發展前景為高溫合金的使用提供了巨大的空間，而且每年的備件供應將是非常穩定的需求，初步估計市場空間在10 億元以上。

我國實現“西氣東輸”和從國外引進液化天然氣和管道天然氣之后，全國將普及天然氣的供應，國家有關部門積極發展燃氣－蒸汽聯合循環，小型燃氣輪機熱電聯產、冷熱電聯產，使我國具備了發展燃氣輪機的條件。今后幾年我國將進入燃氣輪機裝機的高峰期，未來10 年我國燃氣輪機的裝機總量將達到30000MW 以上。我國重型燃氣輪機制造業始于五十年代末。主要廠商為上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司、東方汽輪機股份有限公司和南京汽輪電機（集團）有限責任公司等。

（資料來源：南京汽輪電機（集團）有限責任公司薛福培撰寫的《我國工業燃氣輪機的現狀與前景》）

本公司目前正在參與國產大型地面燃機用高溫合金渦輪盤和葉片的研發和產品試制，將有望成為公司新的業務增長點。

5、汽車廢氣增壓器渦輪

汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應用領域。廢氣增壓器渦輪生產在國外已有60 多年的歷史。目前，國外的重型柴油機增壓器配置率100%，中小型柴油機也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達80%左右。廢氣渦輪增壓器具有減少有害排放、降低噪聲污染、提高機械效率、提升功率等優點。目前，我國渦輪增壓器生產廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個轉子。

據中國汽車工業協會2009 年2 月4 日發布的統計顯示，2008 年，汽車累計產銷934.51 萬輛和938.05 萬輛，同比增長5.21%和6.70%，汽車銷量比2003 年的439 萬輛翻了一番。由此推算，2008 年中國汽車工業僅渦輪轉子對高溫母合金的需求就在1,900 噸以上。此外內燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。

目前汽車增壓器渦輪尚不屬于本公司主導產品，擬下一步通過實施鈦鋁金屬材料制品項目，生產新一代更高性能的增壓器渦輪。

6、原子能工業市場

原子能工業使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格

架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。我國要陸續建成10 座60 萬千瓦的核電站。每座60 萬千瓦的核電站需用蒸發器“U”形傳熱管100 噸。此外，還有大量的堆內構件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60 萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級用管600 多噸。

根據2006 年3 月國務院通過《核電中長期發展規劃（2005－2020 年）》，我國到2020 年，核電運行裝機容量爭取達到4000 萬千瓦；核電年發電量達到2600～2800億千瓦時。在目前在建和運行核電容量1696.8 萬千瓦的基礎上，新投產核電裝機容量約2300 萬千瓦。同時，考慮核電的后續發展，2020 年末在建核電容量應保持1800萬千瓦左右。

目前核電站蒸發器“U”形管仍完全依靠進口。我國的東方電氣目前在核電裝備

制造領域處于國內領先地位，廣東嶺澳核電站一期制造了兩套100 萬千瓦等級核電機組，獲得了嶺澳二期2×100 萬千瓦核電站核島回路包和常規島機電包訂單。國產核電裝備的應用，也將帶動核電裝備零部件供應市場。根據我國核電站建設規劃，我國近十年內原子能工業方面需要高溫合金材料總共約6000 噸，價值約24 億元。

核電用高溫合金目前不屬于本公司主要市場，但隨著核電發電設備逐步實現國產化，將帶動對國產高溫合金的需求。核電用高溫合金市場將是公司未來著力進入的目標市場。

7、其它領域的高溫合金需求

高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫療器械等領域也有著廣泛的用途。在玻璃工業中應用的高溫合金零件多達十幾種，如：生產玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產用的轉向輥拉管機大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導板和高溫爐熱電偶保護套管等。醫療器械領域的人工關節等。

通過以上分析，高溫合金有著一個龐大的國內外市場。隨著中國工業的持續發展，高溫合金的市場將穩定的增長。

（四）行業進入壁壘

1、技術壁壘

高溫合金材料領域是有很高技術含量的領域，目前能夠進入該領域的企業數量有限。特別是對于航空航天用高溫合金材料及制品領域，對于質量可靠性、性能穩定性、產品外觀尺寸精確性等方面都有著非常苛刻的要求。如果沒有一定的技術儲備和研發實力，一般企業很難進入高溫合金生產領域。

2、市場先入壁壘

高溫合金材料應用于航空航天等高溫、高壓或耐腐蝕等極端惡劣條件下，產品的性能穩定性和質量可靠性是用戶最先考慮的因素。用戶對于產品的試用有著嚴格的程序，一旦選定供應商后，就不會輕易更換。

3、質量標準壁壘

高溫合金的加工工藝復雜，用其制造的零件使用工況惡劣，在應用的安全可靠性方面又有其特殊要求，所以必須嚴格控制高溫合金材料及其產品的工藝規程和建立與健全質量保障體系，嚴格控制材料冶金質量和零件的制造質量，進行完整的無損探傷和腐蝕檢驗等。所以進入該行業的企業需要有一套完整的質量控制體系和檢測體系，才能夠滿足用戶的質量要求。

第四篇：高溫合金項目可行性研究報告

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高溫合金項目可行性研究報告

高溫合金是一種能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。

發展過程從20世紀30年代后期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金。第二次世界大戰期間，為了滿足新型航空發動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發展時期。40年代初，英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ‘相（gamma prime）以進行強化，研制成第一種具有較高的高溫強度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應活塞式航空發動機用渦輪增壓器發展的需要，開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。

此外，美國還研制出Inconel鎳基合金，用以制作噴氣發動機的燃燒室。以后，冶金學家為進一步提高合金的高溫強度，在鎳基合金中加入鎢、鉬、鈷等元素，增加鋁、鈦含量，研制出一系列牌號的合金，如英國的“Nimonic”，美國的“Mar-M”和“IN”等；在鈷基合金中,加入鎳、鎢等元素，發展出多種高溫合金，如X-

45、HA-188、FSX-414等。由于鈷資源缺乏，鈷基高溫合金發展受到限制。

40年代，鐵基高溫合金也得到了發展，50年代出現A-286和Incoloy901等牌號，但因高溫穩定性較差，從60年代以來發展較慢。蘇聯于1950年前后開始生產“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，后來生報告用途：發改委立項、政府申請資金、政府申請土地、銀行貸款、境內外融資等

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產“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。中國從1956年開始試制高溫合金，逐漸形成“GH”系列的變形高溫合金和“K”系列的鑄造高溫合金。70年代美國還采用新的生產工藝制造出定向結晶葉片和粉末冶金渦輪盤，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應航空發動機渦輪進口溫度不斷提高的需要。

高溫合金發展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。就渦輪葉片材料而言，單晶葉片將進入實用階段，定向結晶葉片的綜合性能將得到改進。

此外，有可能采用激冷態合金粉末制造多層擴散連接的空心葉片，從而適應提高燃氣溫度的需要。就導向葉片和燃燒室材料而言，有可能使用氧化物彌散強化的合金，以大幅度提高使用溫度。為了提高抗腐蝕和耐磨蝕性能，合金的防護涂層材料和工藝也將獲得進一步發展。

編制單位：北京智博睿信息咨詢有限公司

另：提供國家發改委甲、乙、丙級資質

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可行性研究報告大綱（具體可根據客戶要求進行調整）第一章 研究概述 第一節 研究背景與目標 第二節 研究的內容 第三節 研究方法 第四節 數據來源 第五節 研究結論

一、市場規模

二、競爭態勢

三、行業投資的熱點

四、行業項目投資的經濟性 第二章 高溫合金項目總論 第一節 高溫合金項目背景

一、高溫合金項目名稱

二、高溫合金項目承辦單位

三、高溫合金項目主管部門

四、高溫合金項目擬建地區、地點

五、承擔可行性研究工作的單位和法人代表

六、研究工作依據

七、研究工作概況 第二節 可行性研究結論

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一、市場預測和項目規模

二、原材料、燃料和動力供應

三、選址

四、高溫合金項目工程技術方案

五、環境保護

六、工廠組織及勞動定員

七、高溫合金項目建設進度

八、投資估算和資金籌措

九、高溫合金項目財務和經濟評論

十、高溫合金項目綜合評價結論 第三節 主要技術經濟指標表 第四節 存在問題及建議

第三章 高溫合金項目投資環境分析 第一節 社會宏觀環境分析 第二節 高溫合金項目相關政策分析

一、國家政策

二、高溫合金項目行業準入政策

三、高溫合金項目行業技術政策 第三節 地方政策

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第四章 高溫合金項目背景和發展概況 第一節 高溫合金項目提出的背景

一、國家及高溫合金項目行業發展規劃

二、高溫合金項目發起人和發起緣由 第二節 高溫合金項目發展概況

一、已進行的調查研究高溫合金項目及其成果

二、試驗試制工作情況

三、廠址初勘和初步測量工作情況

四、高溫合金項目建議書的編制、提出及審批過程 第三節 高溫合金項目建設的必要性

一、現狀與差距

二、發展趨勢

三、高溫合金項目建設的必要性

四、高溫合金項目建設的可行性 第四節 投資的必要性

第五章 高溫合金項目行業競爭格局分析 第一節 國內生產企業現狀

一、重點企業信息

二、企業地理分布

三、企業規模經濟效應

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四、企業從業人數

第二節 重點區域企業特點分析

一、華北區域

二、東北區域

三、西北區域

四、華東區域

五、華南區域

六、西南區域

七、華中區域

第三節 企業競爭策略分析

一、產品競爭策略

二、價格競爭策略

三、渠道競爭策略

四、銷售競爭策略

五、服務競爭策略

六、品牌競爭策略

第六章 高溫合金項目行業財務指標分析參考 第一節 高溫合金項目行業產銷狀況分析 第二節 高溫合金項目行業資產負債狀況分析 第三節 高溫合金項目行業資產運營狀況分析 第四節 高溫合金項目行業獲利能力分析

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第五節 高溫合金項目行業成本費用分析

第七章 高溫合金項目行業市場分析與建設規模 第一節 市場調查

一、擬建 高溫合金項目產出物用途調查

二、產品現有生產能力調查

三、產品產量及銷售量調查

四、替代產品調查

五、產品價格調查

六、國外市場調查

第二節 高溫合金項目行業市場預測

一、國內市場需求預測

二、產品出口或進口替代分析

三、價格預測

第三節 高溫合金項目行業市場推銷戰略

一、推銷方式

二、推銷措施

三、促銷價格制度

四、產品銷售費用預測

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第四節 高溫合金項目產品方案和建設規模

一、產品方案

二、建設規模

第五節 高溫合金項目產品銷售收入預測

第八章 高溫合金項目建設條件與選址方案 第一節 資源和原材料

一、資源評述

二、原材料及主要輔助材料供應

三、需要作生產試驗的原料

第二節 建設地區的選擇

一、自然條件

二、基礎設施

三、社會經濟條件

四、其它應考慮的因素 第三節 廠址選擇

一、廠址多方案比較

二、廠址推薦方案

第九章 高溫合金項目應用技術方案 第一節 高溫合金項目組成

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第二節 生產技術方案

一、產品標準

二、生產方法

三、技術參數和工藝流程

四、主要工藝設備選擇

五、主要原材料、燃料、動力消耗指標

六、主要生產車間布置方案 第三節 總平面布置和運輸

一、總平面布置原則

二、廠內外運輸方案

三、倉儲方案

四、占地面積及分析 第四節 土建工程

一、主要建、構筑物的建筑特征與結構設計

二、特殊基礎工程的設計

三、建筑材料

四、土建工程造價估算 第五節 其他工程

一、給排水工程

二、動力及公用工程

三、地震設防

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四、生活福利設施

第十章 高溫合金項目環境保護與勞動安全 第一節 建設地區的環境現狀

一、高溫合金項目的地理位置

二、地形、地貌、土壤、地質、水文、氣象

三、礦藏、森林、草原、水產和野生動物、植物、農作物

四、自然保護區、風景游覽區、名勝古跡、以及重要政治文化設施

五、現有工礦企業分布情況

六、生活居住區分布情況和人口密度、健康狀況、地方病等情況

七、大氣、地下水、地面水的環境質量狀況

八、交通運輸情況

九、其他社會經濟活動污染、破壞現狀資料

十、環保、消防、職業安全衛生和節能 第二節 高溫合金項目主要污染源和污染物

一、主要污染源

二、主要污染物

第三節 高溫合金項目擬采用的環境保護標準 第四節 治理環境的方案

一、高溫合金項目對周圍地區的地質、水文、氣象可能產生的報告用途：發改委立項、政府申請資金、政府申請土地、銀行貸款、境內外融資等

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影響

二、高溫合金項目對周圍地區自然資源可能產生的影響

三、高溫合金項目對周圍自然保護區、風景游覽區等可能產生的影響

四、各種污染物最終排放的治理措施和綜合利用方案

五、綠化措施，包括防護地帶的防護林和建設區域的綠化 第五節 環境監測制度的建議 第六節 環境保護投資估算 第七節 環境影響評論結論 第八節 勞動保護與安全衛生

一、生產過程中職業危害因素的分析

二、職業安全衛生主要設施

三、勞動安全與職業衛生機構

四、消防措施和設施方案建議

第十一章 企業組織和勞動定員 第一節 企業組織

一、企業組織形式

二、企業工作制度

第二節 勞動定員和人員培訓

一、勞動定員

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二、年總工資和職工年平均工資估算

三、人員培訓及費用估算

第十二章 高溫合金項目實施進度安排 第一節 高溫合金項目實施的各階段

一、建立 高溫合金項目實施管理機構

二、資金籌集安排

三、技術獲得與轉讓

四、勘察設計和設備訂貨

五、施工準備

六、施工和生產準備

七、竣工驗收

第二節 高溫合金項目實施進度表

一、橫道圖

二、網絡圖

第三節 高溫合金項目實施費用

一、建設單位管理費

二、生產籌備費

三、生產職工培訓費

四、辦公和生活家具購置費

五、勘察設計費

六、其它應支付的費用

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第十三章 投資估算與資金籌措 第一節 高溫合金項目總投資估算

一、固定資產投資總額

二、流動資金估算 第二節 資金籌措

一、資金來源

二、高溫合金項目籌資方案 第三節 投資使用計劃

一、投資使用計劃

二、借款償還計劃

第十四章 財務與敏感性分析 第一節 生產成本和銷售收入估算

一、生產總成本估算

二、單位成本

三、銷售收入估算 第二節 財務評價 第三節 國民經濟評價 第四節 不確定性分析

第五節 社會效益和社會影響分析

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一、高溫合金項目對國家政治和社會穩定的影響

二、高溫合金項目與當地科技、文化發展水平的相互適應性

三、高溫合金項目與當地基礎設施發展水平的相互適應性

四、高溫合金項目與當地居民的宗教、民族習慣的相互適應性

五、高溫合金項目對合理利用自然資源的影響

六、高溫合金項目的國防效益或影響

七、對保護環境和生態平衡的影響

第十五章 高溫合金項目不確定性及風險分析 第一節 建設和開發風險 第二節 市場和運營風險 第三節 金融風險 第四節 政治風險 第五節 法律風險 第六節 環境風險 第七節 技術風險

第十六章 高溫合金項目行業發展趨勢分析

第一節 我國高溫合金項目行業發展的主要問題及對策研究

一、我國高溫合金項目行業發展的主要問題

二、促進高溫合金項目行業發展的對策

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第二節 我國高溫合金項目行業發展趨勢分析 第三節 高溫合金項目行業投資機會及發展戰略分析

一、高溫合金項目行業投資機會分析

二、高溫合金項目行業總體發展戰略分析 第四節 我國 高溫合金項目行業投資風險

一、政策風險

二、環境因素

三、市場風險

四、高溫合金項目行業投資風險的規避及對策

第十七章 高溫合金項目可行性研究結論與建議 第一節 結論與建議

一、對推薦的擬建方案的結論性意見

二、對主要的對比方案進行說明

三、對可行性研究中尚未解決的主要問題提出解決辦法和建議

四、對應修改的主要問題進行說明，提出修改意見

五、對不可行的項目，提出不可行的主要問題及處理意見

六、可行性研究中主要爭議問題的結論

第二節 我國高溫合金項目行業未來發展及投資可行性結論及建議

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第十八章 財務報表 第一節 資產負債表 第二節 投資受益分析表 第三節 損益表

第十九章 高溫合金項目投資可行性報告附件 1、高溫合金項目位置圖 2、主要工藝技術流程圖 3、主辦單位近5 年的財務報表、高溫合金項目所需成果轉讓協議及成果鑒定 5、高溫合金項目總平面布置圖 6、主要土建工程的平面圖 7、主要技術經濟指標摘要表 8、高溫合金項目投資概算表 9、經濟評價類基本報表與輔助報表 10、現金流量表 11、現金流量表 12、損益表、資金來源與運用表 14、資產負債表 15、財務外匯平衡表

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北京智博睿信息咨詢有限公司 www.tmdps.cn、固定資產投資估算表 17、流動資金估算表 18、投資計劃與資金籌措表 19、單位產品生產成本估算表 20、固定資產折舊費估算表 21、總成本費用估算表、產品銷售（營業）收入和銷售稅金及附加估算表

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第五篇：高溫合金概述

1.1 高溫合金

1.1.1 高溫合金及其發展概況

高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基體，能在600℃以上溫度，一定應力條件下適應不同環境短時或長時使用的金屬材料。具有較高的高溫強度、塑性，良好的抗氧化、抗熱腐蝕性能，良好的熱疲勞性能，斷裂韌性，良好的組織穩定性和使用可靠性。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩定性和使用的可靠性，基于上述性能特點，且高溫合金的合金化程度很高，故在英美稱之為超合金（Superalloy）。

高溫合金于20世紀40年代問世，最初就是為滿足噴氣發動機對材料的耐高溫和高強度要求而研制的，高溫合金的發展與航空發動機的進步密切相關，1939年英國Mond鎳公司首先研究出Nimonic75，隨后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作渦輪氣發動機的葉片材料，此后該公司又在合金中加入硼、鋯、鈷、鉬等合金元素，相繼開發成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。如今先進航空發動機中高溫合金用量已超過50%。此外，在航天、核工程、能源動力、交通運輸、石油化工、冶金等領域得到廣泛的應用。高溫合金在滿足不同使用條件中得到發展，形成各種系列的合金，除傳統的高溫合金外，還開發出一批高溫耐磨、高溫耐蝕的合金。

高溫合金是航空發動機、火箭發動機、燃氣輪機等高溫熱端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，對材料的質量控制與檢測非常嚴格。高溫合金的基本用途仍舊是飛行器的燃氣輪發動機的高溫部分，它要占先進的發動機重量的50％ 以上。然而，這些材料在高溫下極好的性能已使其用途遠遠超出了這一行業。除了航空部件之外，規定將這些合金用于艦船、工業、陸地發電站以及汽車用途的渦輪發動機上。具體的發動機部件包括渦輪盤、葉片、壓縮機輪、軸、燃燒室、后燃燒部件以及發動機螺栓。除了燃氣發動機行業之外，高溫合金還被選擇用于火箭發動機、宇宙、石油化工、能源生產、內燃燒發動機、金屬成形(熱加工工模具)、熱處理設備、核電反應堆和煤轉換裝置。1956年我國正式開始研究高溫合金，第一種高溫合金是GH3030，用作WP-5火焰筒。上個世紀60年代先后研制成功GH4037、K417等。至70年代初，我國高溫合金的生產研究已經初具規模，在這一階段，主要是仿制、發展蘇聯高溫合金及其工藝，質量達到了相當水平。70年代后，我國開始引進和試制了一批歐美體系的高溫合金，研究生產了一批新型鎳基合金，如GH4133、GH4133B、K405等。幾十年來，我國已經研究生產了100多種高溫合金，形成了較為完備的研究生產體系，同時發展了一系列具有特色的工藝技術，為我國航空事業提供了有力的保障。

高溫合金的發展主要經歷了幾個階段：二十世紀40年代以前提出概念，40-50年代實現在噴氣發動機的應用，50-60年代在真空熔煉技術取得重大進展，60-70年代集中在合金化方面，70年代后主要在工藝研究方面，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化和陶瓷過濾等新工藝成為高溫合金發展的主要動力，其中定向凝固工藝制備的單晶合金尤為重要，在航空發動機渦輪葉片中應用尤為廣泛。二十世紀80年代以來，國內外廣泛開展數值模擬研究，取得了重要進展，并在此基礎上開展了顯微組織及冶金缺陷預測研究。

1.1.2 高溫合金的種類

（一）鐵基高溫合金

鐵基高溫合金的定義是，這些合金的主要組分為鐵，并含有相當數量的鉻和鎳，通常鎳含量大約為25%-55%，Ni+Fe≥65%為基，盡可能含有少量的鉬和鎢。因為鐵基高溫合金中鎳含量較高，所以也稱鐵-鎳基高溫合金。其強化方式為碳化物或金屬間化合物沉淀強化和固溶強化。金屬間化合物通常為Ni3(Al,Ti)即?’相。鐵基高溫合金是由奧氏體不銹鋼演化而來的。

各種合金元素的加入對合金帶來一種或多種所期望的性能。對于具有面心立方母體的合金，最有效地強化是由像Ni、Al、Ti、Nb這樣的元素實現的。這類合金也可通過加入相對大量的碳(約0.5%)以形成碳化物沉淀來強化，有時加入氮和磷以增加這種作用。

（二）鈷基高溫合金

鈷基高溫合金是以鈷作為主要成分，含有相當數量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭。偶然也還含有鐵的一類合金，與其他高溫合金不同，它不是由與基體牢固結合的有序沉淀相來強化，而是由已被固溶強化的奧氏體fcc母體和母體中分布少量碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方（hcp）晶體結構，在更高溫度下轉變為fcc。為了避免鈷基合金在使用時發生這種轉變，實際上所有鈷基合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點溫度范圍內使組織穩定化。鈷基合金具有平坦的斷裂應力-溫度關系，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優異的抗熱腐蝕性能，這可能是因為該合金含鉻量較高，這是這類合金的一個特征。鈷基合金比鎳基合金的焊接性能和抗熱疲勞性能更好。

（三）鎳基高溫合金

鎳基高溫合金是指在650℃-1200℃范圍內使用，以鎳為基體的奧氏體型合金。具有在使用溫度下較高的強度，優良的抗氧化和抗腐蝕性，是應用最廣泛的高溫合金。鎳基高溫合金廣泛地應用于制造航空發動機、各類燃氣輪機熱部件，如渦輪部分的工作葉片、導向熱片、渦輪盤和燃燒室等，由于鎳基高溫合金的工作溫度高、組織穩定，有害相少，抗氧抗熱腐蝕性好，能在較高溫度和應力條件下工作，因此在高溫合金中占重要地位。目前先進的發動機上鎳基高溫合金已占總量重的一半左右，不僅渦輪葉片和燃燒室，而且渦輪盤甚至壓氣機葉片也開始使用鎳基合金。鎳基高溫合金按工藝分為變形、鑄造（定向、單向、共晶）、彌散強化機械合金化，快速凝固粉末合金四類，依靠新工藝開發不僅可提高高溫合金性能，還相應開發出多種新合金。鎳基變形高溫合金

鎳基變形高溫合金是以鎳為基體（大于50%）的可塑性變形的高溫合金。在650℃-1200℃溫度下具有較高的強度，良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。分為固溶體強化和沉淀強化兩類。自1941年英國發明第一種Nimonic75合金以來，由于其基體穩定，合金化強化潛力大，綜合性能優異等，得到系列發展和廣泛應用。⑴固溶強化型合金。

通過添加與Ni原子尺寸不同的W,Mo,Cr等使基體晶格畸變；加入降低合金層錯能元素Co；減緩基體擴散速率元素W,Mo等，可獲得一定高溫強度、抗氧化、抗燃氣腐蝕，冷熱疲勞性能好，具有良好冷成型和焊接性能的系列合金。

⑵沉淀強化型合金。

主要是通過固溶處理進行時效處理；從過飽和固溶體γ中沉淀出γ’相，阻礙位錯運動而實現強化合金。其次輔助以固溶強化和晶界強化。具有較高的高溫蠕變強度、抗疲勞性能與抗氧化、抗腐蝕性能。鎳基鑄造高溫合金

鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金。在600℃-1100℃的氧化和燃氣腐蝕氣氛中，可承受復雜應力長期可靠的使用。廣泛應用于制造燃氣渦輪發動機導向葉片、渦輪轉子葉片以及航天、能源、石油化工等領域的高溫結構件。

固溶強化是通過向基體中添加不同量的Cr,Co,W,Mo,Ta,Nb等元素，提高原子間結合力，使晶格畸變，降低堆垛層錯能，產生短程有序及其原子偏聚，阻止位錯運動，降低固溶體中元素擴散系數，強化合金基體。沉淀強化是通過添加Al,Ti,Nb,Ta,Hf,Re等元素，形成穩定的γ’相；加入C,B等元素與Cr,Ti,Nb,Hf,W,Mo等形成各類碳化物，強化合金及晶界，強化作用取決于強化相的類型、數量、形態、大小和分布。晶界強化通過加入微量B,Zr稀土元素添補原子空位，提高晶界合金化程度，凈化晶界，減緩晶界擴散，強化在高溫應力作用下合金的薄弱環節晶界。

1.1.3 高溫合金的強化

（一）強化原理 1 固溶強化 固溶強化是將一些合金元素加入到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，而僅形成單相奧氏體來達到強化的目的。高溫合金中，合金元素的固溶強化作用首先是與溶質和溶劑原子尺寸因素差別相關聯，此外兩種原子的電子因素差別和化學因素差別都有很大影響，而這些因素也是決定合金元素在基體中的溶解度的因素。

固溶強化提高熱強性主要反映在兩方面：

（1）通過原子結合力的提高和晶格的畸變，使在固溶體中的滑移阻力增加，也就是使滑移變形困難而強化，這在溫度T≤0.6T熔（熔點的絕對溫度）時是相當重要的。

（2）在高溫使用條件下（T≥0.6T熔）更為突出的是通過原子結合力的提高，降低固溶體中元素的擴散能力，提高再結熔晶溫度，阻礙擴散式形變過程的進行，因而直接影響滑移變形對形變量的貢獻。第二相強化

（1）內應力場的作用 以γ’相強化為例，由于γ’相在基體中共格析出，而在γ’相周圍造成高的彈性應力場。顯然γ’相與基體的點陣錯配度越大，內應力場也越強，相應得強化效果也應該是越顯著，同時也增大了γ’相本身的不穩定性。

（2）位錯在第二相前受阻，通過擴散機構繞過第二相障礙的作用（3）位錯與第二相顆粒的交互作用 鐵、鎳及高溫合金中析出的γ’相，由于它與基體共格，具有與基體γ相同的晶體點陣，所以它能夠被在基體滑移面上移動的位錯所切割，形成超點陣位錯和反相疇界。

第二相質點的大小、間距、數量及分布，直接影響其強化機制。3 晶界強化

與室溫強化相反，晶界在高溫形變時表現為薄弱環節，因而在破斷時呈現晶間斷裂的特征。晶界的晶體結構不規則，原子排列雜亂，晶格歪扭，同時又有各種晶體缺陷（如位錯、空洞等）存在。在室溫快速形變下，由于晶界不參與形變，并且可阻止晶內滑移的貫穿，因而有利于合金的強化。但是，在高溫蠕變時，晶界弱化并參與變形，有時晶界形變量甚至可占總形變量的50%。在某種程度上可以認為，在常溫下，晶界強度比晶內高，但晶界強度隨溫度升高下降的很快，在某一溫度區間，晶內強度與晶界強度大致相當。溫度再升高，晶界強度就比晶內強度低。

晶界通過多種途徑對多晶材料產生重大的影響

（1）位向的作用。這里僅指晶界兩邊的晶粒位向不同而造成的影響；（2）晶界區結構的作用。這里不僅指晶界去本身的結構和缺陷特點，而且還指在晶界區存在的第二相質點的狀態，及晶界區的其它組織結構特點；

（3）晶界區化學成分（偏析）的作用。由于晶界區的結構和缺陷特點，會帶來雜質元素或其它元素（特別是微量元素）的偏析；由于晶界區的某些動力學現象，造成元素的局部貧富。

晶界的強化方式：

①添加有益的合金化元素，主要包括稀土元素，鎂、鈣、鋇、硼、鋯等元素。這些元素往往通過凈化合金及微合金化兩個方面來改善合金。稀土元素和堿土元素凈化合金的作用比較明顯，而硼、鋯、鎂等主要起強化晶界作用。

②控制晶界，常采用彎曲晶界以及取消橫向晶界的手段來提高高溫合金的晶界性能。碳化物強化及質點彌散強化作用

對于以碳化物析出沉淀硬化的鐵基和鈷基高溫合金，由于碳化物硬而脆的本質及其非共格析出的特點，其強化作用有以下特點：

（1）低溫下位錯以Orowan繞過方式通過碳化物第二相。高溫蠕變條件下，位錯攀移機制起重要作用，位錯切割碳化物是非常困難的。（2）并非所有碳化物具有強的時效強化能力，作為主要時效強化相的碳化物，必須具備以下條件：

1)具有高溫下可以溶解和低溫下析出的可能性。極穩定的碳化物高溫下難于溶解，低溫下就不能有效析出。

2）碳化物的結構與奧氏體基體相似，具有均勻析出的條件。晶界碳化物只對晶界行為產生有利或不利的影響。

3）作為主要強化相的惡碳化物必須有一定的穩定性。高溫下容易長大的碳化物將失去強化效果。

（3）增加碳化物數量及彌散度有利于提高強化效果，但過分高的碳飽和度，往往有利于形成大塊碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。一般碳化物總量不能太大，因此強化程度是有限制的。

（4）強化基體，減少元素的惡擴散能力，這對于較易聚集長大的碳化物相來說是至關重要的。基體固溶體中的位錯及層錯處是碳化物析出形核處。時效析出前，固溶體結構狀態對碳化物的析出以及碳化物與位錯的交互作用有重要影響。碳化物在使用中發生的應變時效有強的強化效果。

（二）主要合金相（1）γ’ 相

γ’相是鎳基合金和很多鐵基合金的強化相，其點陣常數與γ基體相近，一般相差1%以下。考慮到高溫下γ’的穩定性，通常要求γ和γ’之間只有較小的失調度。γ’沿基體的{100}面析出，并與基體共格。γ和γ’之間的界面能較低，所以γ’有較高的組織穩定性。

γ’相的數量、尺寸和分布對合金的高溫強度有重要影響。鎳基合金的高溫強度隨γ’的數量增加而增高。大多數鎳基合金中γ’相的體積分數為30%以上，最強的合金中達60%以上。合金中γ’相的體積分數小時，其顆粒大小和間距對合金的性能有重要影響。（2）TCP相

TCP相是指Laves相（B2A）?相(BA)、μ相(B7A6)、?相等。其中A元素通常指周期表中Mn族以左的元素，如鈦族、釩族、鉻族等；B元素為錳族及錳族以右的元素，如鐵、鈷、鎳等。它呈板狀或針狀，在特殊成分并且在特定條件下的合金中才可能形成。這種相存在的可能性隨錠塊中溶液偏析而增大，TCP相是高溫合金中的脆性相，使合金斷裂強度和塑性降低，對強化產生負作用。（3）碳化物

一類是具有復雜結構的碳化物，如M23C6、M6C，亦稱半碳化物，金屬原子高度密排，碳原子處于間隙位置。再者也是密排結構，但由于金屬原子比較小，八面體間隙太小，容不下間隙原子，所以這種密排結構是具有較大的三棱形間隙的結構，間隙原子碳就在這種間隙位置，又稱非八面體間隙化合物，如M3C M7C3。在熱處理和服役期，MC型碳化物傾向于分解為其他碳化物，如M23C6和M6C，并傾向于在晶界形成。

1.1.4 高溫氧化

（一）合金的氧化

合金的氧化與純金屬的氧化存在許多相似之處，純金屬氧化中發生的現象，也常會在合金氧化中發生。合金氧化行為的特殊性表現在：

（1）合金組元的選擇性氧化。合金各組元對氧化不同的親和力，與氧親和力大的組元優先氧化。若此親和力相差懸殊，甚至可能形成只含有一種合金組分的氧化膜，即發生組元的選擇性氧化，而在基體中該組元則相對地貧化。（2）相的選擇性氧化。當合金中各相在界面上化學穩定性由顯著差異時，則不穩定相優先氧化，造成合金表層組織不均勻性。

（3）內氧化。如果合金具有一定的氧溶解度，并且氧向合金內部的擴散速率較快，合金中較活潑的組元便在合金內形成氧化物，即發生內氧化。

（4）合金氧化膜的組成和結構有多種可能形式。當合金氧化時，有時可能只有其中一種與氧親和力特別強的組元生成氧化物；有時則各組成元素均可能發生氧化，生成各種氧化物。因此，合金的氧化膜在一層中可能由兩個或兩個以上的相組成；而純金屬氧化膜，即使由多層組成，各層往往只是一個相。（5）合金中各種氧化物之間相互作用可能生成氧化物的固溶體或復合氧化物，形成不同組成關系。

（二）鎳基高溫合金的抗氧化性

鎳基合金是目前在高溫高負荷條件下使用的優良耐蝕合金。鎳氧化時只生成p型半導體NiO膜，其氧化反應速率和氧化膜增長速率都顯著低于Fe和Co。由于NiO的晶格常數小和晶體中陽離子空穴濃度低，NiO銹皮具有很好的致密性和低的氧化速率。此外。NiO具有優良的高溫塑性，并與基體鎳有近似的熱脹系數，這使銹皮在應力和溫度交變作用下能牢靠地附著在基體表面而不脫落。但是NiO表面可大量吸附氧，鎳中溶解氧的能力也比Fe，Co強，因此鎳基合金易發生內氧化。鎳的高溫抗氧化性優于Fe和Co，而略低于鉻。鎳的抗氧化溫度可達1100℃，并且有良好的抗高溫碳蝕、氮蝕、鹵素氣體腐蝕，但是在含硫的氣體中其腐蝕抗力較差