镍基高温合金材料研究进展汇总

第一篇：镍基高温合金材料研究进展汇总

镍基高温合金材料研究进展

姓名：李义锋 镍基高温合金材料概述

高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金[1]。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性[2]。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。

在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃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。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。

镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50)、在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金[2]。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。

镍基高温合金的发展历程

镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它的开发和使用始于20世纪30年代末期，是在喷气式飞机的出现对高温合金的性能提出更高要求的背景下发展起来的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic75(Ni--20Cr-0.4Ti)，为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Ni-monic80(Ni--20Cr--2.5Ti一1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基高温合金。

镍基高温合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件；50年代后期，采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金；60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金；为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合金的发展趋势如图l所示。

图1 镍基高温合金的发展趋势

镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由于其优异的高温力学I生能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-90%的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展[3]。2000年后出现了第四代单晶高温合金，例如MC-NG，EPM-102和TMS-162，它们的特征是都添加了钌元素[4]。一个现代单晶涡轮叶片的成本是等重量的微合金钢的数百倍，不仅反映出构成单晶高温合金元素}向贵重或稀缺，更显示出所用工艺的先进程度。镍基高温合金的性能研究

（一）力学性能

20世纪70年代，B．H．Kean等做持久实验时发现，以挤压比16：1挤压In-100合金，在1040℃ 的实验温度下得到1330%的延伸率，并认为这与合金中析出的第二相粒子控制晶粒长大有关。粉末高温合金由于其细晶组织而较易得到超塑性，如In-l00、In-713、U-700等镍基高温合金可以通过粉末冶金的方法获得超塑性，其延伸率可以达到1000%[5]。利用快速凝固法也可以实现高温合金晶粒的微细化，从而得到组织超塑性现象。

毛雪平等[6]在500~600℃高温条件下对镍基合金C276进行了拉伸力学试验，并分析了温度对弹性模量、屈服应力、断裂强度以及延伸率的影响，发现镍基合金C276在高温下具有屈服流变现象和良好的塑性。

（二）氧化行为

在高温条件下，抗氧化性靠Al2O3。和Cr2O2。保护膜提供，因此镍基合金必须含有这两种元素之一或两者都有，尤其是当强度不是合金主要要求时，要特别注意合金的抗高温氧化性能和热腐蚀性能，高温合金的氧化性能随合金元素含量的不同而千差万别，尽管高温合金的高温氧化行为很复杂，但通常仍以氧化动力学和氧化膜的组成变化来表征高温合金的抗氧化能力。赵越等[7]在研究K447在700～950℃ 的恒温氧化行为时发现其氧化动力学符合抛物线规律：在900℃以下为完全抗氧化级，在900～950℃为抗氧化级，而且K447氧化膜分为3层，外层是疏松的Cr2O3。和TiO2。的混合物，并含有少量的NiO及NiCr2O4尖晶石；中间层是Cr2O3；内氧化物层是Al2O3。并含有少量TiN，随着温度的升高，表面氧化物的颗粒变大，导致表面层疏松，氧化反应加速进行。

（三）疲劳行为

在实际应用中，各种零部件在承受着高温、高应力的作用时，尤其在启动、加速或减速过程中，快速加热或冷却引起的各种瞬间热应力和机械应力叠加在一起，致使其局部区域发生塑性变形而产生疲劳影响零件寿命，故要研究其高温疲劳行为。何卫锋等在研究激光冲击工艺对GH742镍基高温合金疲劳性能的影响时发现，激光冲击强化能延长镍基高温合金抗拉疲劳寿命316倍以上，延长振动疲劳寿命214倍，强化后残余压应力影响层深度达110mm。郭晓光等在研究铸造镍基高温合金K435室温旋转弯曲疲劳行为时发现，在应力比R=-1，转速为5000r／min(8313Hz)和实验室静态空气介质环境下，K435合金室温旋转弯曲疲劳极限为220MPa，裂纹主要萌生在试样表面或近表面缺陷处，断口主要由裂纹萌生区、裂纹稳态扩展区和瞬间断裂区组成。黄志伟等在研究铸造镍基高温合金M963的高温低周疲劳行为时发现，由于高温氧化作用在相同的总应变幅下，M963合金在低应变速率下具有较短的寿命；因为该合金的强度高、延性低，形变以弹性为主，M963合金具有较低的塑性应变幅和较低的过渡疲劳寿命。于慧臣等[8]朝在研究一种定向凝固镍基高温合金的高温低周疲劳行为时发现，由于合金在不同温度范围内具有不同的微观变形机制，温度对合金的变形有明显影响，在760℃以下合金呈现循环硬化，而在850℃和980℃时则表现为循环软化。

（四）高温蠕变行为

当温度T≥(0.3～0.5)Tm时，材料在恒定载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形。实际上是因为在高温下原子热运动加剧，使位错从障碍中解放出来从而引起蠕变。水丽等在对一种镍基单晶合金的拉伸蠕变特征进行分析时发现，在980～1020℃、200～280MPa条件下蠕变曲线均由初始、稳态及加速蠕变阶段组成；在拉伸蠕变期间γ′强化相由初始的立方体形态演化为与应力轴垂直的N-型筏形状；初始阶段位错在基体的八面体滑移系中运动；稳态阶段不同柏氏矢量的位错相遇，发生反应形成位错网；蠕变末期，应力集中致使大量位错在位错网破损处切人筏状7相是合金发生蠕变断裂的主要原因。李楠等在研究热处理对一种镍基单晶高温合金高温蠕变性能的影响时发现，尺寸为0.4 m左右、规则排列的立方γ′相具有较好的高温蠕变性能，而较小的γ′相和较大的γ′相均不利于合金在高温下的蠕变性能，二次时效处理对提高合金高温蠕变强度的作用不大，筏形组织的完善程度影响合金高温下的蠕变性能，二次γ′相不利于提高合金高温蠕变性能。镍基高温合金的强化研究

（一）热处理

热处理对合金第二相粒子γ′相的形成、形态和稳定性有重要影响，探索合适的热处理制度对控制和稳定合金的微观组织、提高合金的高温性能有着积极的意义。经过长期反复研究证实，时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒，形成一些体积很小的溶质原子富集区。在时效处理前进行固溶处理时，必须严格控制加热温度，以便使溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中，同时又不致使合金熔化。在进行人工时效处理时，必须严格控制加热温度和保温时间，才能得到比较理想的强化效果；生产中有时采用分段时效，即先在室温或比室温稍高的温度下保温一段时间，然后在更高的温度下再保温一段时间。

（二）表面处理

由于镍基高温合金成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，高温合金零件表面在氧化或热腐蚀环境中表现为表面化学不稳定，同时经机械加工而制成的零件表面留下加工硬化或残余应力等表面缺陷，这对高温合金零件的化学性能和力学性能都带来十分不利的影响。为了消除这些影响，常采用表面防护、喷丸处理、表面晶粒细化以及表面改性等措施。喷丸强化是工业上常用的提高疲劳性能的表面改性工艺技术。高玉魁等发现喷丸强化可以延长DD6单晶高温合金在高温下的疲劳寿命，而且随着温度升高，疲劳寿命增益系数下降。在实际应用中发现喷丸处理对材料强化效果不佳，对合金疲劳性能改善甚微，现急需一种效果更好的强化方法来取代喷丸，随着高能脉冲激光器制造水平的提高而发展起来的激光冲击强化技术无疑是一种理想的替代方式，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，是一种新型的金属表面强化技术。

（三）合金元素

镍基高温合金能溶解较多的合金元素，如Cr、W、Mo、Co、Si、Fe、A1、Ti、B、Nb、Ta、Hf等。这些合金元素加入到基体中可以产生合金强化效应，影响镍基高温合金的性能，改善合金的组织。

在镍基合金中添加微量稀土元素，能提高合金的热加工性能和抗氧化性能。周永军等I-在研究稀土对镍基高温合金性能影响的电子理论中发现，稀土与杂质硫相互吸引，其结果是分散和固定部分杂质，可以改善合金高温性能。

最近的研究发现，加入碳可以净化合金液，改善合金的抗腐蚀性能，并且可以减少再结晶的几率，碳的微量加入还有利于降低合金缩孔含量。刘丽荣等在研究碳对一种单晶镍基高温合金铸态组织的影响时发现，随着碳含量的增加，合金的初熔温度逐渐降低，共晶数量和尺寸减小，碳化物数量逐渐增多，碳化物的形态从斑点状变为斑点状和骨架状相结合的网状结构，一次枝晶间距变化较大，而二次枝晶间距变化不大，W和AI元素的偏析降低，Ta和Mo元素的偏析增大。

为了保持合金的组织稳定性，第二、三代单晶高温合金在提高难熔金属元素的同时不得不降低元素Cr的含量，含量的持续降低会损害合金的抗氧化、抗腐蚀性能，在第四代镍基单晶高温合金中，引入新的合金元素Ru，能够提高镍基高温合金的液相线温度，提高合金的高温蠕变性能和组织稳定性，与第三代单晶高温合金相似，第四代单晶高温合金中Cr的质量分数仍然较低，为2 ～4。目前国内外对高Cr+Ru镍基高温合金的研究还非常有限。石立鹏等[9]在研究高Ru和高 对镍基高温合金组织稳定性的影响时发现，高Cr能促进TCP相形成，而高Ru的添加在高合金中可以有效地抑制TCP相的析出，从而提高组织稳定性。

Al、Ti和Ta元素都是近年来发展的单晶高温合金中的重要元素。A1和Ti是 相形成元素，同时Ti也是MC碳化物形成元素；Ta能置换一部分Al和Ti而进入γ′相，同时也与碳形成稳定的TaC，在只有微量碳的单晶高温合金中绝大多数Ta几乎都进入γ′相。因此，A1、Ti和Ta是γ′相形成和强化元素，其含量能够决定合金的强化相7 的百分含量及其强化程度。镍基高温合金的发展趋势

从用途和发展的角度分析，镍基高温合金的发展趋势必向高强度、抗热腐蚀性、密度小的方向发展。

(1)追求高强度。通过添加适量的Al、Ti、Ta，保证γ′强化相的数量．加人大量的W、Mo、Re等难熔金属元素，也是提高强度的有效途径。但是为了维持良好的组织稳定性，不析出σ、υ等有害相，而在新一代合金中通过加入Ru来提高合金的组织稳定性。

(2)发展抗热腐蚀性能优越的单晶合金。通过添加适量的W、Ta等难熔金属，保证高的Cr含量。

(3)发展密度小的单晶合金。从航空发动机设计的角度考虑，密度大的合金难有作为，特别是对动叶片，在非常大的离心力下是不适合的。为此，要发展密度小的单晶高温合金，如CMSX-

6、RR2000、TMS-61、A

3、ONERA M-3等，其中的RR2000单晶合金实际上是在IN100(K17)合金基础上发展的，密度为7.87g／cm3[10]。参考文献

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第二篇：铌合金高温材料

我知道的高温材料-含铌高温材料的应用现状

摘要:高强妮合金具有比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点，是制造高性能航空航天吃行器高温部件的重要材料，研究者通过碳化物强化、高温固溶淬火、人变形挤压、时效和热机械处理等方法研制出系列高强妮合金。航空航天高温结构件减重是研究新型妮合金的一个重要方向，选用密度为6-7.2 g/cm3耐的系列低密度妮合金，无涂层可在700℃以下工作，加涂层可在1 200℃以下工作。本文综述了含铌高温材料在航空航天工业以及民用工业中的应用。

关键词：低密度铌合金材料、航空航天工业、凃层、铌合金 1前言

据有关资料统计 , 世界铌总贮藏量约为3800 万 t。巴西是世界第一铌资源大国 , 其贮藏量和生产量最多 , 贮藏量约 2300 万t,占世界总量的 60%。其次是澳大利亚、加拿大、前苏联等国家。中国也是铌资源较丰富的国家 ,贮藏量占世界总量的 17% 左右。丰富的自然资源是铌工业发展的重要保障和优越条件。近年来 , 世界对铌的需求趋于稳定发展。

妮与其它高温结构材料一钨、铂、镍、钢等相比，具有熔点高、密度小、塑韧性和焊接性能好、比强度高等突出的优点，是更高温度使用的新型航空航天结构件的备选材料。妮合金按照强度和塑性的不同，分为高、中、低强妮合金，国外中、低强妮合金在1970年前后己研制成熟;高强度铌合金的研究从20世纪70年代开始，分为固溶强化为主和弥散强化为主两种，国外(主要是前苏联和美国)对高强铌合金制备技术进行了深入研究，我国在该类材料的研究还属空白。低密度铌合金是先进航空航天发动机和小推力火箭发动机的重要候选材料之一。但是，锯合金材料抗氧化性能差，纯金属锯在600℃即存在氧化现象，随着氧化进一步加重，氧化物与金属界面上产生的内应力使氧化层开裂，之后发生灾难性氧化，严重影响了材料在高温有氧环境下的应用。因此，锯合金作为高温结构材料应用的关键性问题是提高其抗氧化性能。本文主要讲述含铌材料高温应用现状及特点。2航天航空工业用铌

航天航空工业是是高纯铌的主要应用领域。多数用作各种火箭和飞船的发动机和耐热部件。据报道 , 最新设计的重返地球的航天飞机中 , 约用铌 2700kg。N b 2 10Hf 等合金用于发射通讯卫星的火箭助推器。N b-1Zr 等合金可使火箭推进控制达数千次起动的要求 ,用于火箭轨道调整和阻力补偿发动机、航天飞行器的反作用控制发动机等。军用飞机用铌量与日俱增 , 目前已达到空前水平。在美国 , 实际上所有的喷气式战斗机发动机的耐热部件都采用铌耐热合金 , 如每台 F — 15 和 F — 16 战斗机的发动机分别用铌 78kg 和钛 2400kg。

新型铌材料低密度铌合金的优点是密度小、比强度高、抗氧化性能优于高妮含量的妮合金(Nb+W>80%，质量分数)，能够与常用的妮合金和钦合金焊接，缺点是室温塑韧性较差。不加抗氧化涂层可在550-800℃大气环境中使用而不被氧化，加抗氧化涂层可在800-1 300℃大气环境中使用，当涂层破坏后，合金基体不会立即被烧穿和破坏。航空航天高温结构件减重是研究新型铌合金的一个重要方向，选用密度为 6 ~7.2 g /cm3的系列低密度铌合金，无涂层可在 700 ℃以下工作，加涂层可在 1 200 ℃以下工作，低密度妮合金材料的制备方法很多，有真空烧结法、热等静压法、电弧熔炼法、等离子熔炼等。采用粉末冶金法很容易获得成分均匀的合金材料，但由于杂质元素含量高，材料硬脆、塑性较差。熔炼是常用的合金制备方法，由于合金中的Nb、Ti、Al元素熔点、密度相差很大，给熔炼均匀合金成分铸锭带来很大困难。等离子熔炼是一种很好的熔炼方法，真空自耗电弧熔炼法生产的铸锭易出现偏析、气孔和裂纹等缺陷。近几年，激光和电子束快速成型技术在金属零件的制备方面发展很快，采用3D打印技术制备复杂形状和薄壁妮合金零件成为一个新的研究方向。含铌高温合金在民用工业中的应用（1）柴油机﹑内燃机增压涡轮

年代以来，欧美等国增压涡轮材料多采用 Inconel713C 镍基合金和 X-40钴基合金，前苏联的涡轮材料为ЭП-787Л和 BЖ36-Л3,此外美国和日本还采用CRM-6D 铸造耐热钢制作增压涡轮。经过多年开发,K213 和 K218 合金精铸的增压涡轮已经广泛用作坦克﹑船舶﹑冶金矿山﹑农用机械﹑石油钻机﹑大型运输载重车辆等领域的发动机上,推广应用的柴油机增压器型号近30 种,内燃机车型号有 45GP80 和 1301 等.10 余年来，钢研总院﹑济南柴油机厂﹑潍坊柴油机厂﹑戚墅堰机车车辆所等单位已经形成批量生产基地，年生产量达 15000 件以上。

（2）玻璃工业离心头

离心头是离心喷吹玻璃棉的关键部件，1250℃的熔融玻璃在离心头的2400r/min 转数的离心作用下，通过离心头侧壁的 7000 个φ1mm 小孔,甩制成φ7μm 以下的玻璃棉.离心头长期处于 980 摄氏度高温高速旋转下工作，既受高温高速燃气的氧化腐蚀和直接冲刷，又受高碱熔融玻璃的冲刷和腐蚀(3)石化工业应用

乙烯是石油化工的三大合成材料的基础原料之一.乙烯的生产能力标志各国石化工业的发展水平。我国 70 年代初即开始引进大型的乙燃装置。生产乙烯的装置是乙烯裂解炉，高温炉管是乙烯裂解炉的关键部件。裂解炉管在 1000℃以上高温下长时间工作，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造法生产。1993 年首批 ZG4Cr25Ni35WNb 合金炉管安装在盘棉天然气化工厂的 SRT-IXHS 型裂解炉第一程炉管，该炉管原采用日本久保田公司的 KHR35C-HISI 合金铸管，管壁设计温度为 1150℃。目前使用时间已达 6000小时。4 结语

低密度妮合金的比强度高于高温合金，塑性适中、焊接性能好，它的突出优点是比重小，是未来航空航天提高使用温度、减轻高温结构件重量的必选材料，但大尺寸低密度妮合金材料的制备技术尚需深入研究。

现在使用铌合金，将巨大地推动了铌合金的应用；或用于一个好的投资项目，比如，载人的国际间星际探险计划，或用于大规模、威胁到世界和平以及伴随着非法武装的计划。由于超音速飞机的应用，我们乐观地看到铌合金是具有优势的材料，能够用于制作超音速冲压式喷气发动机的部件。大体上说，政府投资鼓励铌合金发展计划（特别是多重的、平行的）不可能再发生。除非开辟一些独特的领域，新产品尺寸的提高伴随着使用更大尺寸的喷气防护罩，可能会在一定程度上推动 C103 合金薄板的消费。过去的一些老合金可能被重新使用的情况未必能出现。自由贸易仍占主导地位，像其它特殊材料一样，铌合金的应用也将建立在优良的性能以及合适的价格基础上。提高涂层的性能，能够扩展铌合金的使用范围。优良的性价比将推动铌合金未来在高温领域中的应用。

第三篇：镀镍碳纳米管研究进展

《高性能电磁屏蔽复合填料的制备及表征》

班级：11080801 学号：2008302929

姓名：何征 日期：2011.12.12 碳纳米管电磁屏蔽填料的研究进展

1．引言

电磁屏蔽材料是一种集结构/功能一体化的复合材料，具有优异的综合性能和电磁防护功能，其基本原理主要是基于电磁波穿过防电磁波辐射材料时，产生波反射、波吸收和电磁波在材料内的多次反射，导致电磁波能量衰减[1]。随着现代战场中各种军用设备电磁辐射功率增强，对电磁防护的要求也越来越高[2] ,需要开发出新型的电磁屏蔽复合材料。电磁屏蔽材料大多数是由单组份的高导电率或高磁导率电磁屏蔽填料均匀分散在聚合物基体中加工而成 [3]。目前常用的电磁屏蔽材料可以分为本征型和掺和型。本征型电磁屏蔽材料主要是以导电聚合物如聚苯胺、聚毗咯等与其它树脂混合组成复合涂料。掺和型电磁屏蔽涂料主要是由树脂、稀释剂、添加剂及导电填料等组成[4]。

由于碳系填料加工简单，因此常用电磁屏蔽填料，例如有炭黑、石墨、纳米石墨微片和碳纳米管等。自1991 年日本N EC 公司的S.Iijima 教授发现碳纳米管以来，由于其独特的力学、电学、光学及磁学性能引起了全球科学家的广泛关注。碳纳米管的特殊结构和介电性, 使其表现出较强的宽带微波吸收性能, 同时兼具质量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等一系列优点, 是一种有前途的微波吸收剂, 可以作为潜在的隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料, 在此基础上, 碳纳米管微波吸收材料的研究取得了积极的成果。2.技术研究进展

朱红[5]采用化学镀的方法对碳纳米管进行表面镀镍，T EM 观察证实了碳纳米管上已镀覆了镍层，镀层厚度约8~ 15nm。采用HP8722ES 矢量网络分析仪 测量了样品在2~ 18GHz 频率范围内的复介电常数和复磁导率。用吸收屏理论公式计算其反射损耗(R.L.)、匹配厚度(dm)及匹配频率(f m)，结果表明, 随着匹配厚度的增大, 化学镀镍碳纳米管的吸收峰没有发生移动, 当匹配厚度dm = 0.2mm时, 样品最低反射损耗达-11.40dB, 对应的匹配频率f m = 15.6GHz, 而且在整个电磁波频率测试范围内, 反射损耗值均<10dB)和5.41GH z(R <-6dB)。碳纳米管表面镀镍后吸收峰值虽然变小, 但吸收峰有宽化的趋势, 这种趋势有利于制造宽频吸波材料。

王尽美等[7]利用碳纳米管一纳米管状聚苯胺复合材料，进行化学无电金属镀层。经过采用Ni、Cu和Ni—Cu复合镀层工艺试验对比，形成了纳米金属镀层复合物。通过SEM观察发现纳米结构的金属颗粒在聚苯胺分子的表面形成了均匀分布和稳定的结合，利用TG、XRD等一系列实验分析表明镀层材料具有良好的金属一纳米管状聚苯胺晶体共轭结构。通过压片法，利用波导管进行抗电磁波性能分析，电磁波的屏蔽效应达到了40dB，证明该材料在电磁屏蔽及相关电子、传感器等技术应用中，将具有良好的应用前景。

图3 纳米聚苯胺金属镀层SEM结构图

从图3可见，在纳米管状聚苯胺的表面镀铜后，铜样普遍要高。而在聚苯胺分子氧化分解后，金属材料粒子形成均匀的分布。而直接镀镍后，聚苯胺表面的仍具有良好的稳定性。金属层分布就不是很均匀，在纳米管状的材料缝隙间存在着大量的不规则的镍金属颗粒。利用镍、铜复合镀层，在聚苯胺的纳米管表面形成了非常良好的连续均匀的镀层。

赵东林[8]等用竖式炉流动法, 以二茂铁为催化剂, 噻吩为助催化剂, 苯为碳源通过催化裂解反应在1100～1200℃制备了直线形碳纳米管, 外径为20～50 nm, 内径10～30 nm, 长度50～1000 nm。用化学镀工艺在碳纳米管表面均匀包覆了Ni-P 和Ni-N 合金, 研究了它们的磁性能及其环氧树脂基复合材料在2～18 GHz的微波吸收性能。

图4 镀Ni-P 合金碳纳米管的磁滞回线

图5 400℃热处理后镀Ni-N 合金碳纳米管的磁滞回线

与纯碳纳米管相比, 镀Ni-P 合金碳纳米管复合材料的吸收峰向高频移动, 镀Ni-P 和Ni-N 合金碳纳米管经热处理后,复合材料的吸收峰向低频移动。镀Ni-P 合金碳纳米管以及镀Ni-P 和Ni-N 合金经热处理碳纳米管的矫顽力分别为304.34 Oe、81.65 Oe、183.85 Oe。随着矫顽力的增加, 在2～18 GHz, 复合材料的微波吸收峰向高频移动。在复合材料中, 碳纳米管以及镀Ni-P 和Ni-N 合金的碳纳米管作为偶极子吸收微波。

王力等[9]以自制的多壁碳纳米管为原料，利用化学镀的方法制得镀镍碳管。并用X 射线衍射仪、透射电镜、扫描电镜及能量色散谱仪对其进行了表征，结果表明：碳管表面镀镍层中x(Ni)达到68.8 %，磁性能分析表明，镀镍碳管饱和磁化强度达到13 067 Am2/kg，热处理后饱和磁化强度达到257 733 Am2/kg。最后，对其表面镀层进行了热分析。

图 6 碳管及镀镍碳管的磁滞回线

图 6(a)给出了碳管镀镍前后的磁滞回线，镀镍碳管的饱和磁化强度(Ms)为13 067 Am2/kg，相对镀镍前增大了4 倍，剩余磁化强度(Mr)为2 238 Am2/kg，相对镀镍前也增加两倍多，相反矫顽力(Hc)却为镀镍前的一半，约为5.920 kA/m，软磁性增强；图5(b)是镀镍碳管热处理前后的磁滞回线，400 ℃热处理后镀镍碳管的Ms 为 257 733 Am2/kg，Mr 为36 689 Am2/kg，Hc 为9.44 kA/m。说明热处理后镀镍碳管的饱和磁化强度大大增加。

Jou[10]等研究了CNTs/聚合物复合材料中CNTs的取向、形状比质量分数和形貌对材料屏蔽性能的影响，表明该材料的SE最大值可能大于62dB。3.结语

传统的电磁屏蔽与吸波材料强调的是强衰减,而新型的材料则大多采用复合技术,突出质量轻、频带宽和性能好的特点,能满足于不同环境和应用场合的需求,因此开发和研制新一代的多频、轻质、智能型的电磁屏蔽与吸波材料必将成为日后的重点。

碳纳米管的特殊结构和介电性, 使其表现出较强的宽带微波吸收性能, 同时兼具质量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等一系列优点, 是一种有前途的微波吸收剂, 可以作为潜在的隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料, 因此，在以后的电磁屏蔽材料中研究中，碳纳米管将会发挥越来越重要的作用。

参考文献

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第四篇：高温合金应用领域及需求

高温合金应用及市场需求

(2013-03-01 23:15:20)转载▼

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1、高温合金需求概况

高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，由于其有着优良的耐高温、耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域，从而大大的拓展了高温合金材料的应用领域。随着高温合金材料的发展，新型高温合金材料的出现，高温合金的市场需求处于逐步扩大和增长状态。

目前，国际市场上每年消费高温合金材料近30 万吨，被广泛应用于各个领域。

我国目前高温合金材料年生产量约1 万吨左右，每年需求可达2 万吨以上，市场容量超过80 亿元。（数据来源：中国金属学会高温材料分会）。

而我国目前的生产能力与需求相比存在两个缺口：

（1）生产能力不足

目前我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口，在燃气轮机、核电等领域的高温合金主要还依赖进口。

（2）高端产品难以满足应用需求

我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大差距，随着我国研制更高性能的航空航天发动机，高温合金材料在供应上存在无法满足应用需求的现象。我国高温合金企业一方面需要提高研发能力，另一方面还需要提高装备水平，使自身具备生产更高性能高温合金材料的实力。

目前本公司主要面向的市场为航空航天、发电领域使用的高端和新型高温合金，该领域市场的高温合金需求量在3000 余吨，且每年呈15%以上的速度增长。（数据来源：中国金属学会高温材料分会）。

高端和新型高温合金需求增加主要来自于两个方面：

第一，我国发展自主航空航天产业研制先进发动机，将带来市场对高端和新型高温合金的需求增加。

第二，我国上海电气、东方电气、哈尔滨汽轮机厂等大型发电设备制造集团在生产规模和生产技术等方面近年来有了较大提高，拉动了对发电设备用的涡轮盘的需求。正在进行国产化研制的新一代发电装备－大型地面燃机（也可作舰船动力）取得了显著进展，实现量产后将带动对高温合金的需求。同时，核电设备的国产化，也将拉动对国产高温合金的需求。

2、航空航天领域的应用

高温合金从诞生起就用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总重量的40%～60%，主要用于四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件（图6－5）。航空航天产业属于战略性先导产业。世界航空航天市场总额已高达数千亿美元，并且正以每年10%左右的速度稳步增长。

3、我国发展自主航空航天产业拉动高温合金材料需求

中国航空工业是在新中国成立以后，经过50 多年的建设和发展，已先后研制生产了8 大系列30 多种机型1400 多架货运飞机、旅客机和通用飞机，具备了飞机设计、制造、试验、试飞、适航取证等研制和生产能力。

在过去的几十年中，我国航空工业主要经历了四个发展阶段，1951~1960 年：中国航空工业完成产业基础建设。1961~1980 年：中国航空工业发展的黄金20 年。

1981~2000 年：中国航空工业在曲折中前进。2001~2008 年：中国航空工业进入全新发展阶段。特别是在2001 到2008 年，这几年中，不少具有自主创新的产品也在不断问世。在2004 年，歼10 定型批量生产标志着我国成为全球少数能够自主研制第三代先进战斗机的国家。2006 年3 月，十届人大通过了“十一五”规划纲要，大型飞机研制被列入纲要，并在高技术产业工程重大专项中占据显著位置。2007 年12 月，ARJ21总装下线标志着我国首个自主研发支线客机项目取得突破性进展。2008 年3 月，中国商飞有限公司在上海挂牌成立，相关科研和人才培养工作全面启动。（资料来源：中航集团总经理林左鸣：《2009，我国航空工业的成人礼》）

国内目前最主要的航空工业企业是中国航空工业集团公司（根据国家有关航空工业体制改革方案，中国航空工业第一集团公司、中国航空工业第二集团公司重组整合成中国航空工业集团公司，并于2008 年11 月8 日正式挂牌），该公司注册资本640亿元，拥有企事业单位近200 家，拥有上市公司21 家，其中3 家在香港上市。据统计，中国航空工业集团公司2008 年实现总收入1,660 亿元，同比增长12.31%。中航集团的成立整合了国内的航空产业，明确了航空产业发展方向和发展战略。中航集团成立后提出了未来9 年经济规模将以每年高于20%的速度递增的目标，到2017 年跃上一万亿元的台阶。（资料来源：中国航空工业集团公司网站）。

第七届珠海航展上，中航集团公布了2008-2027 年民用飞机中国市场预测年报。根据该年报，未来20 年中国航空客运周转量的年均增长率为8.3%，中国民航需要补充各型民用客机3815 架，其中大型喷气式客机2822 架，支线飞机993 架。预计到2027年，中国的民用客机机队规模将达到4250 架，货机机队规模将达到604 架。

目前国内生产和发展的民用机型主要有：

直升机：我国目前主要的直升机总装企业是中航集团旗下的哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，主要产品为直9 系列直升机、H425 型直升机、HC120 直升机、EC120直升机等。直9 的国产化程度已经超过90%，是我国直升机主流机型。哈飞集团控股的哈飞股份2008 年航空产品销售收入20.8 亿元，其中主要是直9 系列直升机，该产品订单在“十一五”期间仍将保持稳定增长。该公司在直9 基础上通过技术改造研制成功的H410 和H425 型直升机还拥有可观的民用和国际市场前景。目前哈飞集团与欧洲直升机公司联合开发的直15 型项目，该机属于世界上最先进的6 吨级中型机之一，由哈飞集团与欧洲直升机公司联合研制生产，目前已获确认订单150 架，2008年已交付首架机身，预计2010 年开始量产。中航集团预测，今后20 年内，中国将需要3,000 架直升机，而目前全国仅有百余架，市场空间非常大。（资料来源：哈飞股份2008 年年报及相关研究报告）

运输机：运输机是专门用来运送货物和旅客的飞机，民航客机是运输机的一种。

我国的运输机主要是Y 系列的运输机，如Y7（即运-7）、Y8、Y10，Y11 和Y12F。

该系列机型可用于空投、空降、运输、救生及海上作业等多种用途。主要由中航集团旗下的陕西飞机工业（集团）有限公司、哈飞股份等生产。Y12F 飞机是哈飞股份采用先进技术研发的新一代通用/支线涡桨飞机，能够乘坐19 名旅客并满足散装装载，可用于海洋监测、航拍航测、遥感、物探、空投、空降等长航时通航作业。该机拥有大容量的机身设计和良好的短距起降性能，采用最先进的综合航电系统，人机界面好，乘坐舒适，巡航速度快，商载重量比高，满油与满载航程长，使用成本低，具有较强的市场竞争力。2008 年第七届珠海航展上，哈飞股份与中国航空技术进出口总公司就Y12F 飞机收购达成协议，签下了20 架共价值8 亿元的Y12F 飞机收购框架协议。Y12F飞机计划2009 年完成首飞和调整试飞，2010 年完成试航验证地面试验与飞行试验、取得CAAC 型号合格证，2011 年取得FAA 型号合格证。（资料来源：2008 年第七届珠海航展有关新闻报道）支线飞机：支线飞机是指座位数在50 座到110 座左右，飞行距离在600 公里至

1200 公里的小型客机。我国国土幅员辽阔，对于支线飞机的需求量呈逐年上升态势。

目前我国国产的支线飞机主要有新舟系列和ARJ21 系列。我国新舟系列主要是新舟60 及其升级换代产品新舟600。新舟600 采用涡轮螺旋桨发动机，具有成本低廉、燃油消耗少等优点。2008 年11 月在第七届珠海航展，中国民航飞行学院与中航西飞公司签订购买2 架新舟600 的购机合同，成为首个用户。2010-2012 年，新舟600 将达到年产10-15 架生产能力，最终形成30 架的年生产能力。中航集团旗下的西安飞机工业（集团）有限责任公司是该机型的生产企业，预计未来10 年新舟600 在全球市场需求量将超过300 架，国内超过120-150 架。目前新舟700 的研制工作也已全面启动。

ARJ21 翔凤客机是中国商用飞机有限责任公司研制的双发动机支线客机，是新一代支线喷气式客机。ARJ21 翔凤客机是70～90 座级的中、短航程涡扇发动机支线客机，拥有基本型、加长型、货机和公务机等四种容量不同的机型。2008 年11 月28 日首架ARJ21-700 飞机在上海飞机制造厂首次试飞，飞行62 分钟后降落，取得成功。首飞完成后，随即进入试飞试验、适航取证等投入市场前的阶段。经过相当于18 个月运行期的稳定飞行，在相关型号得到审定后，向用户进行交付。

干线飞机：干线飞机是相对于支线飞机来说的，干线飞机一般是指航行城市与城市之间载客量大、速度快、航程远的飞机，比如波音737、空客320 等，世界上有能力生产大型干线飞机的有美国、俄罗斯、乌克兰、欧洲等6 家公司。研制大型飞机及其发动机是党中央、国务院在新世纪作出的具有重大战略意义的决策。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和“十一五”规划纲要中，国家已经把大型飞机列为重大专项工程，而且要求最终配装具有自主知识产权的大涵道比涡扇发动机，包括军民两用型大型飞机发动机，这是必须实现的国家战略目标。2008 年5 月，我国启动了大飞机项目，由国务院国资委牵头，与中国航空工业第一集团公司、中国航空工业第二集团公司等央企组建了大型飞机公司，注册资本金为190 亿元。据报道，整个大飞机项目的研发费用投入大概在600 亿元，其中用于大型民用客机的研制费用大概有400亿元，用于大型军用运输机研制的费用约为200 亿元。大飞机的研制属于高精尖项目，每架需用高温合金、钛合金近100 吨，起落架用特种高强度钢约15 吨。（来自：新华网《上海宝钢研制“大飞机”用钢取得进展》一文）

我国自主航空航天产业的发展，必然带动国内发动机制造企业的发展。目前国内发动机制造企业主要有西安航空发动机（集团）有限公司、沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司、中国贵州航空工业集团、成都飞机工业（集团）有限责任公司等公司。2009 年1 月18 日，中航工业商用飞机发动机有限责任公司在上海注册成立，主要为大飞机项目配套研制和生产发动机。西航集团是我国大型航空发动机研制生产基地，先后研制生产了涡轮喷气发动机、涡轮起动机、涡轮发电装置、涡扇发动机及大功率燃气轮机，生产的航空发动机主要包括“秦岭”发动机、“太行”、“昆仑”发动机。2007 年西航集团航空发动机（含衍生产品）部分的营业收入为19.8 亿元。（数据来源：吉林华润生化股份有限公司重大资产出售、重大资产购买暨非公开发行股票报告书第88 页）。

根据国家规划，航天产业的发展主要围绕五大工程实施：一是载人航天，二是月球探测，三是高分辨率对地观测系统，四是“北斗”导航定位系统，五是新一代大型运载火箭。载人航天和月球探测两项工程的主要目的是带动我国科技水平的提高和发展。高分辨率对地观测系统和“北斗”导航定位系统会更多的服务于经济建设、社会发展和国家安全。新一代大型运载火箭，主要是提升中国探索空间的能力。从航天发展的经验来看，重大工程的实施能够有效拉动航天产业市场。

我国的“长征”系列火箭以及从“神舟”一号到“神舟”七号，发动机的核心部分都采用了高温合金材料。据统计，从1999 年成立至2007 年，中国航天科技集团长征系列火箭共成功实施50 次发射任务，发射了自行研制的43 颗卫星、6 艘飞船和1颗月球探测器。在宇航领域，圆满完成了神舟五号、神舟六号载人航天飞行和嫦娥一号绕月探测飞行任务，并取得商业卫星整星出口零的突破。根据已制定的《中国航天科技集团公司构建航天科技工业新体系战略转型指导意见》，中国航天科技集团公司到2015 年打造七个数百亿规模的大型科研生产联合体，形成十个左右主营业务收入过百亿的公司，并且要实现国际化业务快速增长，整星出口占国际商业卫星市场10%左右，商业发射服务占国际市场15%左右，航天技术应用产业的产品出口额占其业务收入的20%左右。（数据来源：新华网《中国航天工业2015 年达国际先进》一文）目前，航天领域使用的液氧煤油和液氧液氢航天运载发动机、小型涡喷涡扇发动机已经定型，并开始批量生产，国内对航天用高温合金母合金和精铸件的需求也在不断增长，进入一个新的增长期。

4、燃气轮机领域的高温合金需求状况

燃气轮机是高温合金的另一个主要用途。燃气轮机装置是一种以空气及燃气为介质的旋转式（见图6－9）热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机很相似，不同处在于工质不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。燃气轮机属于内燃机，所以也叫内燃气轮机。构造有四大部分：空气压缩机，燃烧室，叶轮系统及回热装置。

燃气轮机的最大优点是不需连杆、曲柄、飞轮等装置，又不需锅炉，因此体积小、重量轻，功率大到100000～200000 千瓦，效率高达60%，广泛用于船舶动力、发电等。

因燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达1300℃，因此叶轮需要用高温合金来制造。

燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如LM6000PC 和FT8 燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26 和PG6561B 等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。

目前燃气轮机发电在世界上已广为应用，其发电容量占世界总发电容量的11%。

由于燃气轮机具有以上优点，在全世界发达国家，燃机电厂与燃煤电厂总安装容量为接近1﹕1，并有超过的趋势。燃气轮机发电已是电力结构中的重要部分，在新增发电容量中更占重要成份。据报导目前全世界每年新增加的装机容量中，有1/3 以上系采用燃气－蒸汽联合循环机组，而美国则接近1/2。据不完全统计，全世界现有烧油和烧天然气的燃气轮机及其联合循环的装机容量已超过4 亿kW。近些年来，世界上发达国家常规联合循环发电得到快速发展；每年新增的联合循环机组总装机容量约占火电总新增容量的40%～50%。当今世界上单台燃机最大功率已达250MW，联合循环总功率达350MW。现在燃气轮机正向着大功率、高燃烧温度发展。燃气－蒸汽联合循环已经成为世界上火电建设的重要组成部分。燃气－蒸汽联合循环发电已成为世界潮流。

从国际发展的趋势来看，为了提高热效率和增加机动性，需要发展大功率的（大于100MW）工业燃气轮机组，这对材料提出了更高的要求。以涡轮叶片为例，因采用劣质燃料，加上地面工况条件差，特别是在高温下（＞1300℃）、连续工作时间很长（以万小时计），更需要耐热腐蚀、抗冲刷的高温合金和耐热涂层。目前我国每年花费在进口涡轮叶片备件上就达上亿美元。国内燃气轮机发展前景为高温合金的使用提供了巨大的空间，而且每年的备件供应将是非常稳定的需求，初步估计市场空间在10 亿元以上。

我国实现“西气东输”和从国外引进液化天然气和管道天然气之后，全国将普及天然气的供应，国家有关部门积极发展燃气－蒸汽联合循环，小型燃气轮机热电联产、冷热电联产，使我国具备了发展燃气轮机的条件。今后几年我国将进入燃气轮机装机的高峰期，未来10 年我国燃气轮机的装机总量将达到30000MW 以上。我国重型燃气轮机制造业始于五十年代末。主要厂商为上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司、东方汽轮机股份有限公司和南京汽轮电机（集团）有限责任公司等。

（资料来源：南京汽轮电机（集团）有限责任公司薛福培撰写的《我国工业燃气轮机的现状与前景》）

本公司目前正在参与国产大型地面燃机用高温合金涡轮盘和叶片的研发和产品试制，将有望成为公司新的业务增长点。

5、汽车废气增压器涡轮

汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。废气增压器涡轮生产在国外已有60 多年的历史。目前，国外的重型柴油机增压器配置率100%，中小型柴油机也在不断地增大其配置比例，如英、美、法等国家已达80%左右。废气涡轮增压器具有减少有害排放、降低噪声污染、提高机械效率、提升功率等优点。目前，我国涡轮增压器生产厂家所采用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮，它和涡轮轴、压气机叶轮共同组成一个转子。

据中国汽车工业协会2009 年2 月4 日发布的统计显示，2008 年，汽车累计产销934.51 万辆和938.05 万辆，同比增长5.21%和6.70%，汽车销量比2003 年的439 万辆翻了一番。由此推算，2008 年中国汽车工业仅涡轮转子对高温母合金的需求就在1,900 吨以上。此外内燃机的阀座、镶块、进气阀、密封弹簧、火花塞、螺栓等都可以采用铁基或镍基高温合金。

目前汽车增压器涡轮尚不属于本公司主导产品，拟下一步通过实施钛铝金属材料制品项目，生产新一代更高性能的增压器涡轮。

6、原子能工业市场

原子能工业使用的高温合金包括：燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格

架，高温气体炉热交换器等，均是其他材料难以代替的。我国要陆续建成10 座60 万千瓦的核电站。每座60 万千瓦的核电站需用蒸发器“U”形传热管100 吨。此外，还有大量的堆内构件用不锈钢精密管和控制棒、核燃料包套管等。这样仅一座60 万千瓦的核电站堆芯约需要各类核级用管600 多吨。

根据2006 年3 月国务院通过《核电中长期发展规划（2005－2020 年）》，我国到2020 年，核电运行装机容量争取达到4000 万千瓦；核电年发电量达到2600～2800亿千瓦时。在目前在建和运行核电容量1696.8 万千瓦的基础上，新投产核电装机容量约2300 万千瓦。同时，考虑核电的后续发展，2020 年末在建核电容量应保持1800万千瓦左右。

目前核电站蒸发器“U”形管仍完全依靠进口。我国的东方电气目前在核电装备

制造领域处于国内领先地位，广东岭澳核电站一期制造了两套100 万千瓦等级核电机组，获得了岭澳二期2×100 万千瓦核电站核岛回路包和常规岛机电包订单。国产核电装备的应用，也将带动核电装备零部件供应市场。根据我国核电站建设规划，我国近十年内原子能工业方面需要高温合金材料总共约6000 吨，价值约24 亿元。

核电用高温合金目前不属于本公司主要市场，但随着核电发电设备逐步实现国产化，将带动对国产高温合金的需求。核电用高温合金市场将是公司未来着力进入的目标市场。

7、其它领域的高温合金需求

高温合金材料在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也有着广泛的用途。在玻璃工业中应用的高温合金零件多达十几种，如：生产玻璃棉的离心头和火焰喷吹坩埚，平板玻璃生产用的转向辊拉管机大轴、端头和通气管、玻璃炉窑的料道、闸板、马弗套、料碗和电极棒等。冶金工业的轧钢厂加热炉的垫块、线材连轧导板和高温炉热电偶保护套管等。医疗器械领域的人工关节等。

通过以上分析，高温合金有着一个庞大的国内外市场。随着中国工业的持续发展，高温合金的市场将稳定的增长。

（四）行业进入壁垒

1、技术壁垒

高温合金材料领域是有很高技术含量的领域，目前能够进入该领域的企业数量有限。特别是对于航空航天用高温合金材料及制品领域，对于质量可靠性、性能稳定性、产品外观尺寸精确性等方面都有着非常苛刻的要求。如果没有一定的技术储备和研发实力，一般企业很难进入高温合金生产领域。

2、市场先入壁垒

高温合金材料应用于航空航天等高温、高压或耐腐蚀等极端恶劣条件下，产品的性能稳定性和质量可靠性是用户最先考虑的因素。用户对于产品的试用有着严格的程序，一旦选定供应商后，就不会轻易更换。

3、质量标准壁垒

高温合金的加工工艺复杂，用其制造的零件使用工况恶劣，在应用的安全可靠性方面又有其特殊要求，所以必须严格控制高温合金材料及其产品的工艺规程和建立与健全质量保障体系，严格控制材料冶金质量和零件的制造质量，进行完整的无损探伤和腐蚀检验等。所以进入该行业的企业需要有一套完整的质量控制体系和检测体系，才能够满足用户的质量要求。

第五篇：高温合金材料研究进展

材料科学与工程前沿课程报告

第二部分：高温合金专题学习报告

学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程 姓名：XXXXX 学号：XXXXX 班级：XXXXX

2012年11月19日

第1页

高温合金材料研究进展

摘要：本文主要是根据这学期在材料科学与工程前沿课上听了董建新教授讲关于高温合金相关的知识，然后通过调研，对国内外高温合金的研究发展现状有了一定的认识，本文主要介绍目前高温合金材料的研究进展和我校在相关方面的研究成果，并提出自己的见解，我国高温合金方面虽然有了很大的进步，但是和国际上的高温合金的研究还有差距，建立在仿制国外高温合金材料的基础上的创新并不是真正的创新，真正想要达到并超越国际水平，我们还有很长的路要走。关键词：高温合金董建新研究进展

引言

高温合金是制造现代航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机的重要金属材料。目前在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例高达50%以上。显然，没有高温合金就不可能有高速、高效率、安全可靠的现代航空和航天事业，同时，高温合金在核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域也有广阔的用途[1]。高温合金是在550℃以上温度条件下能承受一定应力并具有抗氧化和抗热腐蚀能力的材料。我国的高温合金以合金成形方式、合金基体元素、合金强化方式的顺序，构成我国高温合金系列和体系，其中合金成形方式有变形高温合金、铸造高温合金（包括等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金）、焊接用高温合金丝、粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金和金属间化合物高温材料之分。在这些不同合金系列之下，再分为铁基、镍基、钴基及铬基合金。

董建新教授从高温合金在航空航天等高科技产品上面的应用开始说起，介绍了高温合金材料的研究现状、制备和加工方面，还有高温合金的元素组成、强韧化和工艺强化等知识，让我们对目前的高温合金材料的研究现状有了初步的认识。经过50多年的研究，我国在高温材料领域已经取得了一系列的进步，但是，还是与国外如美国等还存在着相当大的一段距离，例如我国生产的涡轮盘质量就不及美国，一些关键的技术都处于被国外封锁的阶段，一些关键的零部件我们不能研发，只能靠进口。这在很大程度上制约了我国航空、汽车制造业的发展。所以，研究高温材料的科研人员还是有很大的用武之地的。目前各国纷纷提出航天发展计划，竞争将愈加激烈。我们国家必须重点发展高温合金在高科技航空航天领域

第2页 的研发，才能在未来的空间竞争中占得一席之地。

一、国际上高温合金的研究现状

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。1937年德国涡轮喷气发动机Hcinkel问世，1939年英国研制出Whittle涡轮喷气发动机。同年，英国Mond公司首先研制成一种低碳含钛的镍基合金Nimonic75，不久又有含铝和钛合金元素的Nimonic80合金问世。这种合金与Nimonic75相比，蠕变性能在应力和持续时间相同的条件下，蠕变温度可以提高50℃[2]。

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，研制成第一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。1941年后美国开始发展航空燃气涡轮，1942年将HastclloyB镍基合金先后用于GE（通用电器）公司的两种喷气发动机中，1944年开发出钴基合金HS23用于西屋公司发动机中的精密铸造叶片。1950年后由于钴资源缺乏美国发展镍基合金，并广泛用于制作涡轮叶片。在此期间，美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出Waspalloy、M-252和Udinet500等合金。

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。60年代以后，陶瓷过滤、等温铸造、定向凝固、粉末冶金、机械合金化等新工艺的成功应用，推动了高温合金的迅猛发展，其中尤以采用定向凝固工艺制造出单晶高温合金叶片，于70年代初步获得成功应用，使航空发动机的性能大幅度提高。

在前苏联，高温合金称为耐热合金，20世纪40年代中期至50年代在耐热钢的基础上开发出铁-镍基、镍基、钴基耐热合金，前苏联镍基耐热合金成分特点是添加较多的钨和钼元素，添加一定量的铁元素，经常加人少量的钒元素，而美国合金常用钼元素，少用钨元素。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。

二、我国高温合金体系及其发展

自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的第3页 研究生产和应用已经历了50多年的发展历程。回顾50多年的历史，我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，合金的耐温性能从低到高，先进工艺得到了应用，新型材料得以开发，生产工艺不断改进且产品质量不断提高，并建立和完善了我国的高温合金体系，使我国航空航天工业生产和发展所需的高温合金材料立足于国内，也为其它工业部门的发展提供了需要的高温材料（图1[3]）。

图1世界高温合金(涡轮叶片、盘片)的发展趋势和我国主要合金的研制

根据2002年出版的《中国航空材料手册》，我国可供航空选用的高温合金牌号89个，目前正在编撰的《中国高温合金手册》中共列入牌号194个，其中：铁基变形合金30个，镍基变形合金43个，钴基变形合金6个，等轴铸造镍基合金62个，定向凝固镍基合金15个，单晶镍基合金9个，金属间化合物基合金20个，粉末高温合金3个，ODS合金5个，以及焊丝等，可供航空航天及其它工业部门选用。形成高温合金体系的，全世界没有几个，中国是其中之一，其余为美、英、俄，说明我们国家的高温合金材料研究已经形成了规模。

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三、北京科技大学在高温合金方面所取得的成果

在发展尖端技术的推动下，冶金部于1958年从工厂抽调一批有才能的科技人员充实钢铁及有色两院，高温合金为北京钢铁研究总院研究与开发的重点领域，继而上海钢研所、航天部703所以及几所大学、如北京钢铁学院（现北京科技大学）等都加人了高温合金的研究与开发行列，值得指出的是，60年代初在钢铁学院和东北工学院还设立了高温合金专业，一直延续了十余年，为高温合金的发展培养了一批专门人才，在高温合金的发展过程中，促进了我国微量元素分析和相分析技术，高温物性与力学性能测试技术，不但保证了高温合金的生产，也使我国高温合金的研究达到较高水平[4]。

单从北京科技大学的角度看，发展至今，在高温合金领域依然有很强的竞争力，从1961年起，我院高温合金梯队谢锡善教授一直从事耐热钢及变形高温合金的工作以及高温材料强韧化和断裂导致失效的分析和改进研究。历年来主持并进行了：铁基高温合金研究、微量元素在高温合金中的作用、高温合金力学冶金高温合金强韧化、烟气轮机用高温合金大涡轮盘研制、新机种用GHl69合金及粉末高温合金涡轮盘的研究，改善大型锻件（涡轮盘）热加工工艺提高综合性能研究、高温合金表面合金化高温台金强韧化机理以及高温部件长期运行中的组织稳定性及寿命估算研究等。还主持和参与了多项国家、部委重点，国家自然科学基金，“863”高科技课题，和美、法、日、印度、巴西以及韩国等国际合作课题[5]。

我院葛昌纯院士也一直活跃在高温合金材料的制备与研究上，不断探索新的工艺进行研究，提出了火花等离子体放电（SPD）制备高温合金细粉新技术，并设计了样机，该方法与常用的高温合金制粉方法-等离子旋转电极法和氩气雾化法的原理不同，与之相比，该方法冷速更快，可制备粒度更细小的粉末，且设备简单，该方法制备的粉末粒度分布窄、球形度高、粉末颗粒表面光滑、看不到枝晶、颗粒内部是球状晶凝固组织，从而组织更均匀[6]。还有刘国权教授等也一直在粉末高温合金领域进行着探索。中国粉末高温合金的研究始于1977年，目前已研制了以FGH95合金为代表的使用温度为650℃的第一代高强型和以FGH96合金为代表的使用温度为750℃的第二代损伤容限型粉末高温合金。但从总体上讲，与国外之间还是有较大的差距。而刘国权教授梯队在粉末高温合金领域也取

第5页 得了一系列的成果。

四、总结与展望

多年来，我国高温合金取得了辉煌的成绩，但是也仍然存在着一些问题，创新是我们国家科技发展的灵魂，我国的高温合金必须突破引进加仿制到创新的体制，充分发挥我们自主的创新性，大力深化科技体制改革，把国内搞高温合金的力量集中起来，共同应对未来空间开发用的高温合金及民用高温合金，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

参考文献：

[1]师昌绪，仲增墉，中国高温合金五十年[M]，北京：冶金工业出版社，2006 [2]赵明汉，张国庆，孙晓峰，杨洪才，我国高温合金体系的发展[J]，北京：冶金工业出版社，2006 [3]师昌绪，仲增墉，我国高温合金的发展与创新[J]，金属学报，2010，46(11)：1281-1288 [4]师昌绪，仲增墉，中国高温合金40年[J]，金属学报，1997，33(1)：1-8 [5]赵凡，献身中国高温合金事业——北京科技大学谢锡善教授[J]，科技成果管理与研究，2011，(3)：101-102 [6]于军，葛昌纯，孟璐璐，沈卫平等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J]，2008，44(7)：892—896

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