本文侧重于航空航天领域，介绍了高温合金的成分、分类、发展、命名、应用部件以及市场前景。

一、概述

1. 高温合金的成分

高温合金以铁、镍、钴为基，其他主要元素有铬、铝、钛、钨、钼等，作为一级金属材料，可在600℃以上及一定应力条件下长期工作，在高温强度、抗氧化、抗热腐蚀、疲劳性能、断裂韧性等方面具有多重优势。

2.高温合金的应用

高温合金广泛应用于航空航天、核电、汽车工业、燃气轮机、石油化工等领域。

从全球高温合金市场应用场景来看，长期排在首位的是航空航天领域，市场需求占比已经超过了56%，主要用于航空发动机和航空紧固件的制造。

二、高温合金的分类

1.高温合金按基本元素分为：

• 铁基高温合金：使用温度较低，600~850℃，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。

• 镍基高温合金：使用温度最高，约1000℃，广泛用于制造涡轮喷气式航空发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件，如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等。

• 钴基高温合金：使用温度约950℃，具有良好的铸造性和焊接性，主要用于做导向叶片材料，由于钴资源较少，该类合金价格昂贵。

2.高温合金按制造工艺分为：

• 变形高温合金：使用温度600-1000℃，一般应用于发动机中的压气机盘、涡轮盘，强度相对较低，塑性、热加工和焊接性良好。

• 铸造高温合金：可细分为等轴晶高温合金、定向凝固柱晶高温合全和单晶高温合金三大类。

1）等轴晶高温合金：使用温度1000℃，采用传统的熔模铸造方法，承温能力相对较低，主要应用于机厘低压涡轮后几级叶片，应用范围较广，占比全部铸件零部件60-70%,但产品附加利润低。

2）定向凝固柱晶高温合金：使用温度1000-1100℃，采用定向凝固技术制造，承温能力相对较高，主要应用于低压涡轮前几级的工作叶片，以及部分发动机高压涡轮的一、二级工作叶片，应用范围仅限于工作叶片，产品附加利润较高。

3）单晶高温合金：使用温度1200℃，采用定向凝固和选晶技术制造，承温能力最高主要应用于先进发动机高压渴轮叶片和低压涡轮前两级叶片，应用范围仅限于工作叶片，产品附加利润最高。

• 新型高温合金：指通过新型制造工艺生产的高温合金材料，主要包括粉末高温合金和弥散强化高温合金(ODS)。

1）粉末高温合金：使用温度1100℃，是将高温合金雾化成粉末，再经热等静压成型或热等静压加锻造成型的生产工艺制造出高温合金产品，具有金属利用率高、成本低等特点，承温能力相对较高，目前主要应用于涡轮盘和涡轮叶片，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的优良材料

2）弥散强化高温合金(ODS)：使用温度1200℃，采用类似粉末冶金工艺制成，承温能力较高，主要应用于火焰筒、导向叶片及涡轮叶片。

三、高温合金的发展

1.国内外高温合金的发展历程

我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，虽然工艺相比国外还有一定差距，但亦成了美、英、俄外，世界上第四个具有自己高温合金体系的国家。

2.高温合金伴随航空发动机迭代的发展历程

高温合金是航空发动机的核心材料，与航空发动机发展深度绑定，是推动航空发动机发展最为关键的结构材料。

四、高温合金的命名

与国外各制造商各自形成高温合金体系标准不同，我国建立了统一的高温合金命名规则：GB/T 14992《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》。

我国高温合金牌号的命名采用字母加阿拉伯数字相结合的方法表示。

以合金成型方式、基本元素和强化方式、合金编号的顺序构建了完整体系。

五、高温合金在航空领域的应用

1.四大热端部件

高温合金主要应用于航空发动机的四大热端部件：

• 燃烧室：燃烧室是机械能源产生的根源，其燃烧室壁和燃烧简主要采用高温合金材料制成，因为需要承受800℃以上的温度。材料需具备良好的抗疲劳性，强的抗氧化能力，良好的切削性能。

• 涡轮叶片：涡轮叶片是航空发动机上最关键的构件，涡轮叶片在承受高温同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。用于涡轮叶片制造的主材材料是铸造高温合金。目前广泛应用单晶高温合金制造，该合金具备拉伸、持久、蠕变疲劳、抗氧化及耐热腐蚀性能。

• 导向叶片：导向叶片是用来调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件,是航空发动机上受热冲击最大的零件之一。材料具备高温抗氧化能力，良好的抗热疲劳和机械疲劳，高导热性和低热膨胀系数等。

• 涡轮盘：涡轮盘工作时，轮缘温度达550-750℃，而轮心温度只有300℃左右，使整个部件的温差较大;转动时承受重大的离心力;启动和停车过程中承受大应力低疲劳周期。材料须具备强度高。塑性好，良好的抗热疲劳能力。

2.航空紧固件

航空发动机上主要紧固件产品有各种类型的螺栓、带键螺桩、自锁螺母、螺套、销钉、管路件连接件等。

• 高温高强度螺栓、螺钉

GH4169等材料的螺栓、螺钉是目前航空发动机上应用最为广泛的高温高强度紧固件，该类零件经热处理后抗拉强度达到σb≥1250Mpa，而这类高强度紧固件其螺纹温滚加工技术是研究和发展的方向。

• 拉紧螺栓

发动机涡轮螺栓、高精度细长拉紧螺栓，该类紧固件是航空发动机的关键承力件。该类紧固件一般采用锻件毛坯加工而成，材料以高温合金、钛合金为主。此类零件除了有高温、高强度、高精度使用性能要求外，还具有细长轴类零件的结构形式及要求。该类零件的加工难点主要在高强度螺纹滚压、细长轴加工变形控制等方面。

• 带键锁紧螺桩、螺套

带键锁紧螺桩、螺套，该类紧固件是近几年新发展起来的航空紧固件连接技术，此项连接技术主要是从传统的过盈螺纹加锁片的组合连接方式转变为销键锁紧方式，使其装配锁紧结构更紧凑、更合理、防松更可靠。

• 高温合金自锁螺母

自锁螺母，以前该类紧固件形式比较单一，以合金钢和不锈钢材料为主，随着航空发动机技术的不断进步，现在的发动机紧固件自锁螺母多以高温合金材料为主，自锁变形形式有两点、三点、四点、开直槽、开斜槽等收口形式，执行的标准有HB、GJB以及各研制型号的专用技术标准。

• 特种自锁螺母

随着国内外先进航空发动机技术水平的逐步提升，需要更可靠、更简洁、更轻的主轴转子紧固件，用来紧固高速旋转主轴上的零件。这种高速旋转主轴上的特种自锁螺母，直径、厚度比一般为4：1、6：1、10：1，该类特种自锁螺母的自锁变形区短，工艺成型难，对材料的热处理控制、冶金质量、自锁稳定性等要求极高。

A286(GH2132)、GH2696、GH3030、inconel718(GH4169)、GH4698、Waspaloy(GH738)等高温合金都是航空航天紧固件常用材料。

3.其他部件

用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

六、高温合金市场前景

1.国际市场

目前全球高温合金消费市场受到航空产业地区分布的影响，主要集中于欧美等地区，占比在70%以上。

相应的主要生产代表也以美国、英国、法国和俄罗斯等欧盟国家为主。这些国家在高温合金材料的研发和生产方面已经有了一定的积累。

其中GE、普特拉-惠特尼公司、汉因斯-斯泰特公司、因科国际公司、ATI和卡彭特技术公司都是全球重要的生产厂商。

2.国内市场

目前国内军用和民用飞机交付量的增加以及发动机国产化趋势，将带动国内高温合金需求的高速增长。

国内高温合金行业已逐步形成产业链，从事研究生产的企业主要分为四类：

• 第一类：依托科研院所技术转型企业，主要是钢研高纳、中国航发北京航空研究院 (北京航发院)、中科院金属研究所(中科三耐)等企业，他们长期承担国内合金技术研 发任务，具备深厚的技术积累，与下游需求单位紧密合作，具备生产较小批量、结构复杂的特定型号高端产品能力。

• 第二类：中国航发下属发动机主机厂和中航工业、 中航科技等集团内部从事精密铸造或锻造业务的相关企业，主要为各大主机厂和其 他集团单位提供配套服务。

• 第三类：特钢企业，他们在冶金方面具备较强技术实力， 通常具备大规模生产能力，主要是抚顺特钢、宝钢特钢等，能够生产批量较大的合金板材、棒材和锻件。

• 第四类：以图南股份、万泽股份等为代表的新兴冶金企业，近年开始涉及高温合金领域，主要是在特定型号高温合金材料或某一产品领域具备技术优势。

3.发展方向

高温合金工艺技术将向着提高承温承载能力和环境适应性能、增加高熔点合金元素含量的方向发展。其中：

• 变形高温合金向承温更高、精密成形和低成本方向发展。

• 铸造高温合金以高温度梯度定向凝固技术和新型、超纯单晶高温合金为未来研究重点方向。

• 粉末高温合金将在提高工作温度的基础上，继续提高产品的强度、抗蠕变性能和使用寿命。

4.发展前景

未来几年，预计全球高温合金市场竞争将会越加激烈，虽然我国距离国际先进水平还有一些距离，但高温合金作为我国先进材料领域的短板已被写入“十三五”规划中，随着国家对战略性新材料产业扶持力度的加大，以及积极与国外资源进行深度合作，中国高温合金行业将继续保持稳定增长态势。

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