高温合金材料产业专题报告

1、 高温合金材料产业专题报告 1. 高温合金-为高温而生传统钢铁在 300 摄氏度以上会软化，无法适应高温环境。为了追求更高的能量转化效率， 热机动力领域需要的工作温度越来越高。高温合金因此孕育而生，在 600 摄氏度以上的高 温环境中还可以稳定工作，并不断进步。1.1. 动力用高温合金-理论效率只与温度有关热机是目前人类几乎最重要的动力来源。热机可将燃料的化学能转化成内能再转化成机械 能。高温合金可应用于汽轮机、涡轮机、喷气发动机等热机。热力学第二定律指出所有热机的热效率均有一个上限值。热效率的上限和热机输入热的温 度（热源温度）及热机的环境温度（冷源温度）有关。我们可以用卡诺循环来表示理想的

2、 热机循环热效率。在卡诺循环中，当吸热量为 Q1,放热量为 Q2时，循环所作净功为 W0=Q1-Q2，根据卡诺循 环的热熵曲线可得卡诺循环的热效率为：=1-T2/T1由此可以看出，热机的输入热源温度越高，热机工作效率越高。因此，动力领域对工作温 度要求的提升将带动相关材料的升级换代。航空发动机涡轮入口温度需要不断提高。喷口温度从 1300K 提升到 1610K 时，涡轮输出效 率可从 46.40%提升到 51.60%。这要求高温合金的升级换代，同时原来那些可以使用合金钢 的零件，如压气机盘和叶片等，也需要使用高温合金。随着航空发动的发展，高温合金的制备工艺也经历了变形高温合金-铸造高温合金-定

3、向凝 固柱晶合金-单晶高温合金的升级，工作温度也不断提高。煤电机组升级需要大量高温合金。中国是世界上最大的燃煤国，目前火电机组有相当多的 部分为超高压、高压蒸汽参数机组。而发展超临界和超超临界机组是提高煤炭利用率，降 低环境污染的有效而经济的途径之一。由表 1 可见，随着蒸汽温度的不断提高，机组效率不断增大，供电耗煤不断降低。现在国 内锅炉过热器或再热器管材用高温合金主要为 GH2984、Inconel 740、Inconel 617、Nimonic 263、Inconel 625 等。随着对机组效率需求的提升，为提高蒸汽温度，高温合金在煤电领 域的需求量将逐渐提高。核工业用高温合金主要指反应

4、堆用高温合金。高温合金主要用作水堆蒸汽发生器传热管， 元件格架和压紧弹簧以及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管等零部件。高温合金也向其他领域扩散。动力领域对效率的追求不断刺激高温合金的进步，同时高温 合金也向其他需要高温环境的领域不断扩散。1.2. 化工领域-反应效率需要高温环境石油工业离不开高温合金。石油化学工业的挥发油的水蒸气改质炉，其操作的工作温度超 过 950C；乙烯分解炉要在超过 1050C 的条件下进行作业。这些反应炉设备需使用 Incoloy800 等高温合金。裂解炉管在 1000C 以上高温长时间工作，又处于腐蚀性介质气氛下，目前世界各国主要 采用高铬镍合金并通过离心铸

5、造法生产。冶金工业生产过程中的热处理、加热炉、轧钢、炼钢、测量等均离不开高温过程，因此不 少冶金设备接触高温的部件就需要采用高温合金。对动力效率的追求，带来高温合金的不断发展，也带来高温合金需求的不断增加。2. 高温合金的分类与发展高温合金按合金的主要元素分为铁基高温合金、镍基。镍基高温合金占比最高 80%，铁基 高温合金占 14.3%，钴基高温合金占 5.7%。2.1. 铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色中国正式生产的铁基高温合金达 20 多种，约占我国高温合金牌号总数的 17%。由于我国资源缺镍少钴，又有国外的封锁，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十 年代的一道绚丽的风景线。根

6、据黄乾尧的高温合金-特殊钢丛书，至 70 年代初，我国 研制生产的铁基高温合金牌号达 33 个，其中我国独创的达 18 种之多。大量应用至今的有 GH1140、GH2135、GH35A 和 K213 等 4 种合金。铁基高温合金使用温度较低（600850），一般用于发动机中工作温度较低的部位，如 涡轮盘、机匣和轴等零件。但铁基高温合金中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更 优，加之价格便宜，热加工变形容易，所以铁基合金至今仍作为涡轮盘和涡轮叶片等材料 在中温领域广泛使用。2.2. 镍基高温合金：变形/铸造/新型合金逐代升级镍基高温合金一般在 600以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良好的

7、高温抗氧化 和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。 主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、 燃烧室等。镍基高温合金按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、新型高温合金。2.2.1. 镍基变形高温合金变形高温合金指的是在成形阶段需要传统变形加工的高温合金。变形高温合金加工容易，可以连续生产。由于变形高温合金合金化程度较低，强化相数量 较少，因而热加工塑性较好，可连续生产。镍基变形高温合金在发动机中主要用于涡轮盘和涡轮叶片，温度范围一般在 650C-1000 C。2.2.2. 镍基铸造高温合金随着使用温度和强度的

8、提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难， 必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用 精密铸造工艺才能生产。镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片，工作温度可达 1100C 以上，也 可用于涡轮叶片，其所承温度低于相应导向叶片 50-100C。2.2.3. 新型高温合金-粉末冶金高温合金随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一 些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成 分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为

9、粉末颗粒小，制粉时冷却速度 快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金， 屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比先进航空发动机的涡轮盘，也用于生产先进航空发动机 的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。2.2.4. 新型高温合金-单晶高温合金采用定向凝固工艺消除所有晶界的高温合金称为单晶高温合金。金属是由一个一个晶体组 成。晶界是金属内部各种畸变,缺陷和杂质聚集的地带，晶界在常温下强度高于晶体内部， 但高温时易产生滑移。当高温下晶界强度下降高于晶体内部时，金属强度会下降。因此， 采用定

10、向凝固技术消除晶界，得到的单晶高温合金性能极好。目前，几乎所有先进发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。2.3. 钴基高温合金：抗腐蚀等特殊领域前景广阔钴基高温合金的抗氧化性能较差, 但其抗热腐蚀能力比镍好；钴基高温合金的高温强度、 抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能也比镍基高温合金更强，适用于制造燃气轮机导 向叶片、喷嘴等。我国由于资源限制，目前研制了 K40、GH188 和 L605 等钴基合金，使用范围有限。2001 年以后，通用电气在钴基高温合金方面的研究主要集中在将钴基合金作为制备燃气涡 轮机的基材材料，并在合金表面制备涂层如热障涂层以提高耐侵蚀性能。联合工艺公司开发出的产品

11、有镍基和钴基高温合金，其在高达约 982.2仍具备很强的应 力-断裂强度，特别适用于燃气轮机，特别是喷气式飞机发动机的叶片和叶片。但是其主 要问题是它们在高温下受氧化和污染的影响增加，如果没有合适的涂层保护，最终会失效。近年来，也涌现了许多新的钴基合金增材制造技术，如钴基激光增材制造技术、钴基电子 束激光增材制造技术等。增材制造技术是一种融合了计算机、材料和三维数字建模等内容 的高新技术。将增材制造技术和钴基高温合金实现有机结合，不仅能更便捷地制造出航空 发动机中较为复杂的结构零部件，而且制造出的钴基高温合金零部件具有良好的耐热、耐 磨和耐腐蚀性能。由于材料方面的限制，钴元素在地球上储量较少，

12、价格较为昂贵。目前钴基研究的热度有 所下降，很多科研研究也停留在数字建模试验等理论阶段。3. 航空发动机用高温合金不断发展军用航空发动机历经五代，推重比不断提升。第一代涡扇发动机出现在 20 世纪 50 年代， 以英国的康维发动机、美国的 JT3D 发动机为代表，推重比在 2 左右；第二代涡扇发动 机出现在 20 世纪 60 年代，以英国的斯贝 MK202 和美国的 TF30 发动机为代表，推重 比在 5 左右；第三代涡扇发动机出现在 20 世纪 70-80 年代，以美国的 F100、欧洲的 RB199 和苏联的 AL-31F 发动机为代表，推重比在 8 左右；第四代涡扇发动机出现在 20 世

13、纪 90 年代，以美国的 F119 和欧洲的 EJ200 发动机为代表，推重比在 10 以上；第 五代涡扇发动机出现在 21 世纪初，以美国的 F135 和英、美联合研制的 F136 发动机为 代表，推重比为 12-13。未来航空发动机推重比将不断提高，美国已经开启第 6 代航空 发动机的研发，预计推重比将达到 16-18。由于涡轮理论效率仅与温度相关，要提升发动机推重比必须提升效率，要提升效率必须提 升喷口温度。发动机对温度的要求不断提升。高推重比需要更高的喷口温度，需要工作温度更高的材料 支撑。在世界高温合金的发展历程中，发动机叶片和盘件材料分别经历了变形、铸造、定 向、单晶四个阶段。适应

14、温度从 600C 逐步提升至 1100以上。两片一盘是指航空发动机中的涡轮叶片、导向器叶片及涡轮盘（加篦齿盘），是整个发动 机中性能最高的部件，代表着高温合金的最高工艺和最高要求。在发动机的高压涡轮中， 涡轮叶片与导向叶片交错排列，一级导向器紧接燃烧室出口，导向叶片处于高温燃气流包 围中，是发动机中温度最高的零件之一，最高温度可达 1150C，温度高而且不均匀是其 工作环境最重要的特点。涡轮叶片尤其是一级涡轮叶片承受着由燃烧室经一级导向叶片流 入的高温燃气的冲刷，温度要求也极高，最高温度可达 1100C，同时处于复杂应力和腐 蚀环境中工作。涡轮盘是连接涡轮叶片和涡轮轴的部件，虽然温度要求比涡轮

15、叶片和导向 叶片稍低，但是综合性能要求更高。材料须有强度高、疲劳性能优异、断裂韧性高、裂纹 扩展速率低等优良性能。最新发动机的两片一盘的制备，取用的都是最先进的高温合金材料。涡轮叶片和导向叶片 的结构性材料以单晶高温合金和定向金高温合金为主。由于叶片横截面都很薄，而横截面 尺寸越小，蠕变断裂强度就越低，但是定向晶消除了易于形成裂纹的横向晶界，因此持久 性能、冷热疲劳性能能及薄壁性能大幅提升，而单晶由于消除了一切晶界，性能改善更加 明显，蠕变断裂强度降低幅度最小，因此是目前最能满足叶片工作要求的材料。3.1. 叶片用高温合金：承温能力大幅提高我国涡轮叶片用高温合金从变形合金逐渐升级到单晶合金。2

16、0 世纪 50 年代，第一代发动 机的推重比为 3-4，燃气温度为 800-1050C，涡轮叶片材料选用使用温度较低的变形镍 基高温合金，其承温能力在 700-900C；20 世纪 70 年代前后，第二代推重比 5-6 的发动 机选用使用温度较同一成分变形高温合金高 30C 左右的镍基铸造高温合金，其使用温度 达 950C 左右；到 20 世纪 80 年代，消除了横向晶界的定向凝固高温合金得到了广泛应 用，其使用温度较同一成分等轴晶铸造合金高 20-30C，第四代发动机的叶片承温能力 达 980C 左右；20 世纪 90 年代至 21 世纪初，第五代发动机采用了消除了一切晶界的镍 基单晶高温合

17、金，由于其使用温度又比定向凝固柱晶合金有进一步大幅度提高，最高温度 可达 1050-1100C，因而得到了广泛应用。目前我国在用的涡轮叶片单晶合金零件主要为 DD403单晶实心涡轮工作叶片和 DD406单 晶高压涡轮空心工作叶片。近年来，由于定向凝固工艺的发展，导向叶片也逐渐使用定向合金制作。低成本，高性能 的 DZ404 定向凝固合金及低成本、低密度、高熔点的 JG4006 定向凝固合计均在一些新机 中作导向器叶片，取得良好效果。DZ640M 是钴基定向合金，目前在 FWS10 发动机上作高 压导向片。国外导向叶片除了定向柱晶，还采用了第一代和第二代单晶高温合金。单晶高温合金消除 了一切晶界

18、，性能改善更加明显，使用温度较定向凝固柱晶合金提高约 30C。3.2. 涡轮盘用高温合金:粉末高温合金成首选粉末高温合金涡轮盘是现代航空发动机的首选材料。粉末合金晶粒细小，成分和性能均匀， 目前涡轮盘已经发展到了第五代，粉末高温合金涡轮盘发展到第三代，发展趋势伴随着更 高的蠕变强度，更低的疲劳裂纹扩展速率，和更长的热时寿命。但是，粉末高温合金在制 备过程中也会导致一定的缺陷，例如夹杂物、原始粉末晶粒边界碳化物和热油导孔洞等， 严重的甚至会影响发动机的安全性，因此粉末高温合金的制备对缺陷控制的要求很高。3.3. 军机的换代伴随着高温合金的升级第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金，核心材料工作

19、温度 650C，到第四代的 涡扇发动机，核心材料工作温度已经达到了 1200C，采用了单晶高温合金。历代军机的 换代一直伴随着发动机核心材料高温合金的升级。高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下，中国高温合金先后研制 出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世，不 断地推动航空工业向前发展。4. 发动机用高温合金进入快速发展期根据权威媒体WorldAirforces2020数据，2019 年美国现役军机 13300 架， 其中战斗 机 5495 架，包括二代战机 1144 架、三代战机 1861 架、四代机已产 320 架，在产 2137 架。

20、美军已经逐渐实现了二代战机向三代/四代战机的转移。对标亚洲地区重要空军力量驻日韩美军，若要形成局部对等战力，2025 年中国空军或将 全面升级，二代机全部淘汰，以四代机和五代机为主体，预计届时我国战斗机保有量或将 达到 2000 台以上。在五代机升级的过程中，双发重型 J-16 和五代 J-20 逐步增加，单发 J-10 可能逐步减少。 按照单发双发各一半，采购比例 1：1.5，新机配发动机 1500 台。新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的 40%，主要用于燃烧室、导向 器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件，此外还用于机匣、环件、 加力燃烧室和尾喷口等 部件。根据前瞻产业研究院发布的研究数据，目前发动机占军用飞机成本的 25%，材料成本占