金属材料司太立合金工程施工案例

高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，又被称为“超合金，”主要应用于航空航天领域和能源领域。
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。
基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热部件，则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机热端部件。

1、国际发展
从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ相以进行强化，研制成种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。
此外，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。
40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡 ，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。
发展至今，国际市场每年高温金属合金消费量在30万吨，广泛应用于各个领域：过去多年，全球航天业对新能源飞机需求旺盛，目前空客与波音已有超万架此类飞机等待交付。而精密机件公司是全球高温合金复杂金属零部件和产品制造的龙头企业，也为航空航天、化学加工、石油和天然气的冶炼以及污染的防治等行业提供所需的镍钴等高温合金。精密机件公司就是波音、空客、劳斯莱斯、庞巴迪等军工航天企业的指定零配件制造商 [1]  。

1、GH4169高温合金
GH4169合金是镍一铬一铁基高温合金。GH4169合金属于镍基变形高温合金。镍基合金是一种复杂的合金。它被广泛地应用于制造各种高温部件。同时，也是所有高温合金中为注目的一种合金。它的相对使用温度在所有普通合金系中也是的。目前，先进的飞机发动机中这种合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由国际镍公司亨廷顿分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公开介绍的时效硬化镍—铬—铁基变形合金。合金是以体心立方g〞和面心立方g′相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金，在650℃以下具有高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性，具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、断裂韧性等综合性能，以及满意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很宽的温度范围内组织性能稳定，成为在深冷和高温条件下用途极广的高温合金。由于GH4169良好的综合性能，目前被广泛用于航空发动机的压气机盘、压气机轴、压气机叶片、涡 、涡轮轴、机匣、紧固件和其它结构件和板材焊接件等 [3]  。
我国于70年代开始研制GH4169合金，主要应用于盘件，使用时间比较短，所以采用真空感应加电渣重熔的双联工艺。八十年代开始应用于航空领域，提高和改进材料质量、提高合金的综合性能和使用可靠性成为主要的研究方向。当前GH4169合金的主要研究方向为：
（1）改进冶炼工艺，量化冶炼参数，实现程序稳定操作，使合金显组织更加均匀，从而得到优良的屈服和疲劳强度以及抗裂纹扩展止裂能力，提高低周疲劳强度等；
（2）改进热处理工艺。目前的热处理工艺不能很好的钢锭中心的偏析，所以对组织的均匀性有不利影响，因此采用合理的均匀化退火工艺，得到细晶坯料成为现在的主要研究方向之一；
（3）改进使用设计。由于GH4169的工作温度不能高于650℃，所以应当加强零部件的冷却，充分发挥该高温合金的高性能、低成本等优点；
（4）提高组织稳定性能。由于航空发动机部件的长寿命要求，对于提高GH4169合金长期时效组织稳定性方面也是至关重要的。
2、单晶高温合金
目前单晶合金材料已发展到第四代，承温能力到1140℃，已近金属材料使用温度极限。未来要进一步满足先进航空发动机的需求，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 [4]  。