在全世界智能化發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)中，高溫合金材料需求量已占有柴油機發(fā)動機總產(chǎn)值的40%~60%。因而，高溫合金材料也稱為“智能化柴油機發(fā)動機基石”。除此之外，高溫合金在電力安裝工程、運輸、化工廠石油業(yè)也占有重要的知名度。

飛機場發(fā)動機稱為“工業(yè)化生產(chǎn)之花”，是航天航空中技術含量較大 、難易度很大 的預制構件之一。作為機場動力裝置的飛機場發(fā)動機，十分重要的是金屬結構材料要具備輕質(zhì)、高韌性、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這大部分是結構材料中較大 的性能要求。

高溫合金由于其優(yōu)異的耐高溫性能，廣泛的應用于航天航空，電力行業(yè)，化工廠石油業(yè)，運輸加工制造業(yè)和氣輪機加工制造業(yè)。

1.在航空航天上的應用

在當今智能化的飛機場發(fā)動機中，高溫合金材料需求量占柴油機發(fā)動機總產(chǎn)值的40%-60%。在飛機場發(fā)動機上，高溫合金適用氣缸、導向性葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零配件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴嘴等預制構件[2]。

1.1氣缸

氣缸是動力機械煤炭能源的發(fā)源地。氣缸內(nèi)導致的燃氣溫度在1500~2000℃正中間。因為別的的室內(nèi)空間設計有高壓氣流通性，因而引燃筒鋁合金型材材料的擔負溫度一般在800~900℃上下，一部分達1100℃。因此，引燃筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能，優(yōu)質(zhì)的冷熱疲倦性能。

氣缸運用的重要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金核心。例如第三代戰(zhàn)斗機F100柴油機發(fā)動機選用Haynes188鈷基高溫合金，F(xiàn)110，F(xiàn)404和F414柴油機發(fā)動機則選用HastelloyX鎳基高溫合金。但是伴隨機場推重比的提高，對引燃筒材料明確指出了新的要求。第四代戰(zhàn)機引燃筒重要是鎳基高溫合金并涂覆陶器熱變形涂層，并且采用新的氣缸結構，如F119和F135采用了起伏壁結構，而F136柴油機發(fā)動機采用了Lamilloy結構。趕到第五代戰(zhàn)機，多運用Lamilloy結構的高溫合金、耐高溫1482℃陶器復合性材料和熱變形涂層。因此，便于融進飛機場發(fā)動機新的推重比的要求，升級版材料基本和制得制作工藝的高溫合金急缺新產(chǎn)品開發(fā)出來[3]。

1.2導向性葉片

導向性葉片是增壓發(fā)動機上受熱破壞性很大 的零部件之一。但由于它是原地不動的，遭受的工業(yè)設備負荷并不是很多。一般 由于應力場導致的曲解、溫度明顯變化導致的裂縫以及過燃導致的燒傷，會使導向性葉片工作上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)導向性葉片工作上規(guī)范，要求材料具有下列性能：充裕的長期抗拉強度及優(yōu)質(zhì)的熱疲倦性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的專業(yè)能力。

煅造高溫合金變?yōu)榱藢蛐匀~片的重要生產(chǎn)加工材料。美國Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55鋁合金型材作為導向性葉片的材料。近幾年來，由于定項凝固制作工藝的發(fā)展趨向，用定項鋁合金型材生產(chǎn)加工導向性葉片的制作工藝也在產(chǎn)品研發(fā)中；此外，F(xiàn)WS10柴油機發(fā)動機渦輪導向器后篦齒環(huán)生產(chǎn)加工采用了氫氧化物彌漫著提升高溫合金[1]。

1.3渦輪盤

渦輪盤工作上受熱不均，盤的邊沿部位比管理處部位擔負較高的溫度，導致很大的殘余應力。榫齒部位擔負很大 的凝聚力，遭受的應力場更為復雜。因而對渦輪盤材料要求有：鋁合金型材應具有高的抗壓強度和應力松弛抗拉強度；優(yōu)質(zhì)的冷熱和抗工業(yè)設備疲倦性能；線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，較高的低周疲倦性能。

粉狀高溫合金是當今高性能柴油機發(fā)動機渦輪盤的優(yōu)選材料。1965年發(fā)展趨向了高純預鋁合金型材粉狀專業(yè)性。美國P&WA(Pratt&WhitneyAircraft)公司最開始開拓了粉狀高溫合金盤件用于飛機場發(fā)動機的疑罪從無。1972年IN100粉狀高溫合金渦輪盤用于F100柴油機發(fā)動機上，開啟了粉狀高溫合金的實際應用階段。

在中國的粉狀高溫合金的科研發(fā)展趨勢于20新時代70時期后半期，在過后的發(fā)展趨向過程中，根據(jù)國家規(guī)格型號規(guī)定，陸續(xù)開展了FGH95鋁合金型材，F(xiàn)GH96鋁合金型材，F(xiàn)GH97鋁合金型材，F(xiàn)GH98鋁合金型材和FGH91鋁合金型材的產(chǎn)品研發(fā)。在這其中FGH95是目前抗拉強度較大 的粉狀高溫合金，較大 運用溫度650℃，適用制得柴油機發(fā)動機的渦輪盤擋板以及直升機用渦輪盤。

目前在粉狀高溫合金制造行業(yè)，美國、俄羅斯、英國、西班牙、荷蘭、加拿大、法國、在我國、日本、意大利以及印度尼西亞等國家均開展了科研工作上，美國、俄羅斯、英國、西班牙、荷蘭和在我國等國家掌握了工業(yè)生產(chǎn)制作工藝，在這其中僅有美國、俄羅斯、西班牙和英國能獨立新產(chǎn)品開發(fā)粉狀高溫合金并建立了本身的鋁合金型材型號規(guī)格[1-4]。

1.4渦輪葉片

渦輪工作上葉片是增壓發(fā)動機上最關鍵的混凝土構件之一。雖然工作上溫度比導向性葉片要低些，但是支撐板大而復雜，工作上規(guī)范極端化，因此對渦輪葉片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蝕專業(yè)能力；高的抗應力松弛和長期裂開的專業(yè)能力；優(yōu)質(zhì)的工業(yè)設備疲倦和熱疲倦性能以及優(yōu)質(zhì)的高溫與立溫綜合型性能。

渦輪葉片用材料最初普遍采用變形高溫合金。伴隨材料產(chǎn)品研發(fā)專業(yè)性和加工工藝的發(fā)展趨向，煅造高溫合金逐步完善渦輪葉片的候選材料。美國從20新時代50時期后半期一開始試著運用煅造高溫合金渦輪葉片，原蘇聯(lián)在60時期后半期應用了煅造渦輪葉片，英國于70時期初采用了煅造渦輪葉片。而飛機場發(fā)動機不斷完美主義者高推重比，推動世界各地自70時期迄今一開始產(chǎn)品研發(fā)新型高溫合金，先后產(chǎn)品研發(fā)了定項凝固高溫合金、光伏電池高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料。在這其中光伏電池高溫合金材料變?yōu)槟壳爸饕a(chǎn)品的渦輪盤材料。

光伏電池高溫合金是在等軸晶和定項柱晶高溫合金大部分發(fā)展趨向出來的一類智能化柴油機發(fā)動機葉片材料。20新時代80時期早期迄今，第一代光伏電池高溫合金PWA1480、ReneN4等在各種各樣飛機場發(fā)動機上獲得普遍應用。80時期后半期迄今，以PWA1484、ReneN5為代表的第二代光伏電池高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等智能化飛機場發(fā)動機上得到許多運用，目前美國的第二代光伏電池高溫合金已健全，并普遍應用在軍中國民航總局柴油機發(fā)動機上。90時期后半期迄今，美國研發(fā)第三代光伏電池高溫合金CMSX-10。之后，GE、P&W以及NASA合作開發(fā)了第四代光伏電池高溫合金EPM-102。西班牙和英國也分別產(chǎn)品研發(fā)光伏電池高溫合金，并維持了建筑項目應用。近幾年來，日本又相繼獲得成功的產(chǎn)品研發(fā)了承溫專業(yè)能力更高的第四、第五、第六代光伏電池鋁合金型材TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。

在中國的光伏電池高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20全世界80時期初最先一開始科研的，并獲得成功產(chǎn)品研發(fā)出在中國第一代光伏電池高溫合金DD4。90時期又獲得成功產(chǎn)品研發(fā)了第二代光伏電池高溫合金DD6，并普遍應用已各種各樣規(guī)格型號的智能化飛機場發(fā)動機上。此外，在中國的第三代光伏電池高溫合金重要有北京航空材料研究室智能化高溫結構材料頭等大事實驗室產(chǎn)品研發(fā)的DD9與DD10、中國科學院金屬研究所高溫合金科研部產(chǎn)品研發(fā)的DD32、DD33、中國科學院金屬研究所產(chǎn)品研發(fā)的DD90；第四代光伏電池高溫合金是由中國科學院金屬研究所產(chǎn)品研發(fā)的DD22；第五代光伏電池高溫合金為山西省煉石有色產(chǎn)品研發(fā)的含錸高溫合金材料。這類材料的目前只限實驗室新產(chǎn)品開發(fā)。

伴隨以殲10B、殲15、殲16為代表的幾種三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，WS-10柴油機發(fā)動機規(guī)定持續(xù)增長；伴隨中國大型運輸機運-20的列裝，大涵道比柴油機發(fā)動機也將進入大批量生產(chǎn)，這將馬上控制器飛機場發(fā)動機用高溫合金的快速發(fā)展趨向。便于提升高溫合金材料專業(yè)性，中國工信部在發(fā)布的《國家增彩生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)規(guī)劃促進計劃方案（2015-2016年）》中明文規(guī)定提高高溫合金等材料專業(yè)性。以便保持在中國國際航空公司發(fā)展趨向?qū)Ω邷睾辖鸩牧系囊?，我們要以往工作上的大部分，再度進行高品質(zhì)、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展趨向和產(chǎn)品研發(fā)工作上，穩(wěn)定現(xiàn)階段體系管理貨品的性能和質(zhì)量，科研和探索工作上溫度超過1100℃上下的事后新紀錄高溫材料，完善在中國的高溫合金體系管理。

單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎上發(fā)展起來的一類先進發(fā)動機葉片材料。20世紀80年代初期以來，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動機上獲得廣泛應用。80年代后期以來，以PWA1484、ReneN5為代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進航空發(fā)動機上得到大量使用，目前美國的第二代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應用在軍民用航空發(fā)動機上。90年代后期以來，美國研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10。之后，GE、P&W以及NASA合作開發(fā)了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國和英國也分別研制單晶高溫合金，并實現(xiàn)了工程應用。近年來，日本又相繼成功的研制了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。

我國的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世界80年代初率先開始研究的，并成功研制出我國第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6，并廣泛應用已多種型號的先進航空發(fā)動機上。此外，我國的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進高溫結構材料重點實驗室研制的DD9與DD10、中國科學院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33 、中國科學院金屬研究所研制的DD90；第四代單晶高溫合金是由中國科學院金屬研究所研制的DD22；第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。這些材料的目前僅限于實驗室研發(fā)。

隨著以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，WS-10發(fā)動機需求持續(xù)增長；隨著國產(chǎn)大型運輸機運-20的列裝，大涵道比發(fā)動機也將進入量產(chǎn)，這將直接驅(qū)動航空發(fā)動機用高溫合金的快速發(fā)展。為了提升高溫合金材料技術，工信部在發(fā)布的《國家增彩制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》中明確要求突破高溫合金等材料技術。為了滿足我國航空發(fā)展對高溫合金材料的要求，我們要在過去工作的基礎上，繼續(xù)進行高水平、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展和研制工作，穩(wěn)定現(xiàn)有體系產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，研究和探索工作溫度超過1100℃以上的后繼新高溫材料，完善我國的高溫合金體系。

2.電力行業(yè)

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎行業(yè)和先進工業(yè)。電力工業(yè)包括水電、煤電、氣電、核電和新能源發(fā)電等方面。除水電外，無論是煤電還是氣電和核電的發(fā)展都需要有相應的高溫結構材料作為支撐，性能優(yōu)異的耐熱鋼和高溫合金材料成為電力工業(yè)發(fā)展的技術關鍵[5]。

2.1煤電領域

火電機組有相當多的部分為超高壓。高壓蒸汽參數(shù)機組，而且隨著蒸汽參數(shù)的進一步提高，對高溫材料的要求越來越高。過熱器和再熱器是鍋爐中工作環(huán)境最為惡劣的部件，承受的壓力最大，溫度最高，因此要求材料具有良好的抗蠕變性能，同時還要滿足管子對蒸汽側的抗氧化性能和對煙氣側的抗腐蝕性能要求。目前，我國火電主鍋爐過熱器管材主要是鐵基高溫合金GH2948。

2.2核電領域

核電是一種安全、清潔、經(jīng)濟、可靠的能源。用核電替代部分化石燃料發(fā)電，不但可以將化石燃料保留下來長期使用，還有利于環(huán)境保護和減少大量的燃料運輸。核電站的核心是反應堆，它是有堆芯、反射層、控制棒、堆容器和屏蔽層等組成。核工業(yè)用高溫合金主要指反應堆用高溫合金。高溫合金主要用作壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管、元件格架和壓緊彈簧等，以及高溫氣冷堆和部分快堆的過熱器與再熱器傳熱管零部件。

壓水堆蒸汽發(fā)生器的傳熱管早期用18-8型不銹鋼。但是因為奧氏體不銹鋼對應力腐蝕敏感，后被耐熱、耐蝕合金Inconel 600所代替。此后發(fā)展了Inconel 690 和 Incoloy 800 合金。關于這三種合金的抗腐蝕性能的優(yōu)劣，目前看法尚不統(tǒng)一，所以都在應用，法國偏重與Inconel 690合金，德國多采用Incoloy 800 合金作傳熱管。我國泰山核電站的蒸發(fā)器傳熱管采用的是Incoloy 800合金，大亞灣核電站用的是Inconel 690合金。

高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器是螺旋管束型結構，裝在預應力混凝土壓力容器內(nèi)側。再熱器和過熱器的溫度較高，傳熱管采用Incoloy 800 合金。蒸汽發(fā)生器和過熱器的溫度較低（450-340℃），傳熱管多采用2.25Cr-1Mo鋼。

堆芯冷卻管道是用定位格架和上下管座按設定的排列方式組裝成燃料堆件或元件盒的。定位格架材料早起采用奧氏不銹鋼，目前主要采用鎳基高溫合金。

3.石油化工行業(yè)

開采石油和天然氣，特別是深井開采，需要使用鎳基高溫合金。因為深井下工作環(huán)境惡劣，比如酸性環(huán)境，氯化物濃度高，有硫化氫氣體，氣體分壓大，井下溫度波動在0-218℃范圍。因此，Inconel 718 合金在油氣開采鉆具上可用作注射閥、傳統(tǒng)運轉閥、氣體升舉閥、雙制化學注射閥、安全閥等多種閥門，流體分流器采用Inconel 718C 鑄造合金制備。Incoloy 925可制作XLD假閥、XLI氣體升舉閥、XLO-B阻尼閥，水壓設備螺母等。Incoloy825可制作耐久打眼繩索、繩索管道、水壓控制管線、水壓設備套圈等。Incoloy 625可作水壓設備管線等。Inconel 600 可作安全隔板等[5]。

煙氣輪機是煉油廠催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)的核心機組。在生產(chǎn)過程中，約有4%-7%的原料油轉化為焦炭，在再生器內(nèi)燃燒，焦炭放出的熱量除部分用于加熱催化外，其余熱量加熱煙氣從再生器放出，這種從再生器放出的煙氣具有98-196kPa的壓力和約650-750℃的溫度，把大量高溫高壓煙氣，引入煙氣輪機，經(jīng)膨脹作功后轉化為軸功輸出，驅(qū)動煉油廠空氣壓縮機或發(fā)電機組，以后回收這部分能量。

4.運輸工業(yè)

目前，內(nèi)燃機車或汽車等民用運輸工具使用的渦輪增加器選用的是細晶等軸晶高溫合金葉片。內(nèi)燃機機車主要是北車集團生產(chǎn)。在戰(zhàn)車領域，目前世界上只有美國將燃氣輪機作為主戰(zhàn)坦克動力，美國M1型系列坦克均裝配了小型燃氣輪機作為動力，效率高。啟動快、馬力大[6]。

艦船動力裝置使用大量高溫螺栓。由于在海上長期工作，因此螺栓材料要經(jīng)受由海鹽成分加速的熱腐蝕。另外由于螺栓還承受很大的拉應力，所以應力腐蝕是螺栓失效的重要因素。因此結構鋼和合金鋼螺栓多數(shù)不能直接長期用于艦船動力裝置。而應選用抗海洋氣氛腐蝕性能好、抗高溫腐蝕性能好、抗松弛性能好的高溫合金制作艦船動力裝置用螺栓。可選的螺栓用高溫合金有: GH132 ( A286 ) 、GH145 ( Inconelx750) 、GH751 ( Inconel751 ) 、GH169、GH33A、GH80A ( Nimonic80A ) 、GH90 ( Nimonic90 ) 、MP35N、GH159 ( MP159 ) 、R26、GH105( Nimonic105) 、GH242 等[6]。

5.燃氣輪行業(yè)

燃氣輪機具有熱效率高、污染少、耗水少、易安裝等優(yōu)點，聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機組還能達到高達60%的熱效率，因而燃氣輪機在電力行業(yè)的應用越來越廣泛。先進的材料是燃氣輪機設計、制造技術的基礎和保證條件，特別是燃氣輪機熱端部位的高溫材料，沒有先進的高溫材料就不可能設計和制造出先進的燃氣輪機。高溫合金在燃氣輪機材料中占有極其重要的地位，在燃氣輪機燃燒室、過度導管、導向葉片、渦輪工作葉片以及渦輪盤等部件上都有著廣泛的應用[8]。

燃氣輪機的研制技術一直被美國通用、日本三菱、德國西門子和法國阿爾斯通等跨國巨頭壟斷。而從國內(nèi)目前正在運行的重型燃機看，我國發(fā)電設備制造業(yè)目前還不具備燃機整機自主制造能力和熱端部件的維修和制造能力。國外對此項技術嚴格保密，嚴重制約我國重型燃氣輪機的發(fā)展。我國生產(chǎn)的燃氣輪機可分為兩類:一是引進型，二是自主研發(fā)型。引進型燃機熱端部件全部進口，重型燃氣葉片產(chǎn)品進口價格為10 億元/噸，該部分成本占整臺燃氣輪機的25% ～ 30%。同時還會簽訂對應服務合同，配件全部由原廠商提供。同時國外公司在出售維護燃機熱端部件的同時會要求簽署補充設備維護協(xié)議，保修期內(nèi)( 一般為10 年) 的配件需全部采用原裝配件，該部分價值可能比設備本身還高。圖就是工業(yè)輪機主要構件的高溫合金的應用[8]。

燃氣輪機用高溫合金的成分。

燃氣輪機的重要用途除了發(fā)電機組，還可以作為艦船的動力等。但是無論作為哪種用途，它使用的高溫合金含量都占很大的比重。

6.結語

隨著高溫合金工藝化的不斷成熟，高溫合金的應用會越來越廣。在完善高溫合金體系的同時，我們也需要建立和完善我國航空用高溫合金的標準。通過開展標準化基礎研究，加強新材料研制中的標準化，提高標準制修訂的先進性和適用性，完善通用材料標準，加強制定材料配套標準，從而更好地滿足我國航空航天發(fā)動機生產(chǎn)和發(fā)展的需要。也只有依據(jù)完善的標準體系，大力的發(fā)展新材料，改進舊材料的性能，完善制備工藝，我們才能縮短與其他高溫合金領先國家如美國、日本、法國等的差距，提高我國在高溫合金領域的競爭力，確保我國的航空和軍事領域的發(fā)展，提高我國在國際事務中的話語權。