单晶高温合金的变形行为和再结晶研究

第一篇：单晶高温合金的变形行为和再结晶研究

单晶高温合金的变形行为和再结晶研究

XXX

北京科技大学材料学院 100083 北京

摘要：本篇文章概述了单晶高温合金（主要是镍基单晶高温合金）的变形行为，尤其是蠕变性能。还有单晶高温合金的再结晶方面的一个总结性结论。关键词：单晶高温合金，变形行为，蠕变，再结晶

The deformation behavior and recrystallization of single

crystal superalloy

WuRihan School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology

Beijing, 100083, Beijing

Abstract: This article summarizes the deformation behaviour, especially the creep deformation, of the single crystal superalloy.And it also made a summary recrystallization to the recrystallization behavior of the single crystal superalloy.Keywords: single crystal superalloy，deformational behavior，creep deformation，recrystallization 1引言

从80年代初第一代单晶高温合金研制成功以来，单晶合金的发展甚为迅速，第二代、第三代单晶合金相继出现和应用，为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高做出了重大贡献。

镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求，多年来，各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。

镍基高温合金作为先进发动机叶片的主要用材，其再结晶问题日益受到重视。在生产和服役过程中，由于单晶凝固过程中模壳收缩、机械去除模壳、叶片的研磨校形等过程难以避免会在单晶叶片中引入一定的塑性变形。带有塑性变形的叶片在高温热处理以及实际使用过程中会发生回复和再结晶。由于镍基单晶高温合金中不含或只含有少量的晶界强化元素，再结晶层成为合金性能薄弱的区域，这些区域将对叶片的高温性能造成不利的影响，甚至会导致整个叶片在极短的时间发生失效断裂。因此需严格控制再结晶的发生。所以了解单晶高温合金的变形行为和再结晶是很重要的。

2正文

2.1单晶高温合金

单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求，多年来，各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。

到目前为止，单晶合金已发展了5代。根据可靠的文献提供，单晶高温合金成分的发展有以下特点：

1)C, B, H从“完全去除”转为“限量使用”。这几种元素历来被看作是晶界强化元素，而且使合金初熔温度降低。由于单晶合金没有晶界，又要求具有宽的热处理窗口，故在最初发展的商用单晶合金(如PW A 1480, CM SX10合金(含6 %的Cr)的相当，还优于含9%的Cr的DSMAR-M 002合金。这是由于合金中Ta, Re的含量较高(Ta+ Re≈15%)。Cr的含量降低，就允许加入更多其他的合金化元素，从而保持组织稳定，这无疑对合金性能的提高极为有利。

4)稀土元素和Ru, Ir的应用。在第2、3代单晶合金中，有许多添加了Y, La, Ce等稀土元素。Y的加入(>200*10-6)可以明显改善单晶合金的抗氧化性能，而且对热疲劳性能也有好处。俄罗斯的二36合金不含Ta只含2%的Re但其持久强度却达到第2代单晶合金的水平，原因之一是加入了稀土元素。另外，值得注意的是，在发展第2、3代单晶合金中，试用了1种非常特殊的元素Ru；General Electric和ONERA公司最先对添加Ru的合金进行了合金化实验。通过实验可知，与Re相比，Ru最明显的优势是具有较低的密度和较低的TCP相析出的倾向；添加Ru的单晶高温合金表现出优异的高温蠕变性能。

镍基单晶高温合金是高度复杂化的合金，通常含有6~10个合金化元素。在显微组织正常的镍基高温合金中，主要是γ相和γ’相，还有几种相是在合金的服役过程中析出的。下面简单介绍下这几个相。

1)γ基体。γ基体是通常含有较大数量固溶元素(如Co, Cr, Mo和W)的连续分布的面心立方结构的镍基奥氏体相。尽管Ni不具有高的弹性模量和低的扩散率，但γ相基体非常适用于在最苛刻的温度条件下工作的燃气涡轮发动机。有些合金能在0.9Tm(熔点)温度下使用，且在较低温度下的使用时间可达100000h,其基本原因在于:Ni的第3电子层基本饱和，在合金化时容量大，相的稳定性很高；当加入Cr后，形成富Cr203的具有低的阳离子空位的保护层，从而降低了金属元素向外扩散的速率以及0,N,S和其他腐蚀气体向内的扩散速率;在高温下形成富Al203保护层，具有良好的抗氧化性。

2)γ’相。γ’相是1种以Ni3A1为基的金属间化合物，与基体一样都是面心立方结构，且2相的点阵常数相差很小，γ’相总是在γ基体上共格析出，是镍基高温合金中最重

要的强化相。

3)碳化物相。在以前的镍基单晶高温合金中，一般不含有碳化物相。但随着合金成分的不断发展，少量C的添加使单晶高温合金中出现了碳化物。碳化物的反应会影响合金基体的组织稳定性。镍基单晶高温合金中可能出现的碳化物类型有MC,M6C和M23C6。根据形成条件，又可分成初生碳化物和次生碳化物，即合金凝固时形成的和固态析出的2种。但是，与多晶合金和定向凝固合金相比，镍基单晶合金碳化物的含量是非常低的。

4)TCP相。某些成分控制不当的合金在热处理或服役时会产生TCP有害相，只有四面体空隙。TCP有害相的特征，是沿着fcc基体的八面体的面以“编篮”网络的形式构成原子密排面。这种相通常呈薄片状，常常在晶界碳化物上形核。在镍基合金中最常见的是σ相和μ相。

σ相属于四方点阵，单位晶胞中有30个原子，最大配位数为15。σ相的成分范围比较宽；在镍基合金里，σ相的成分可认为是(Cr, Mo)x（Ni, Co）y。这里x和y的变化范围很大，一般为1~7。σ相非常硬，呈片状，是裂纹的重要发源地，也会加速裂纹的扩展，导致低温脆断，就像σ化的铁素体不锈钢一样。σ相的结构与M23C6碳化物的结构相似，如果除去M23C6碳化物中的碳原子，只需稍微调整金属原子的位置就可变成σ相的结构。

μ相属于菱方晶系点阵，结构复杂，单位晶胞有13个原子，典型的分子式为B7A6。B元素指周期表中VⅢ族元素，A元素为V族、VI族元素。在镍基高温合金中，μ相主要由Ni、Co, W和Mo组成。μ相与M6C碳化物有相似的密排关系。μ相通常也呈片状析出，但对它对性能的有害影响知道得还很少。

TCP相的形成主要受电子因素控制，与合金的电子空位数有关。因此，可以通过计算合金中的电子空位数Nv值来预测TCP相的形成。

2.2单晶高温合金的变形行为

镍基单晶高温合金因具有优异的蠕变、疲劳、氧化及腐蚀抗力等综合性能，而被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的叶片材料。涡轮叶片作为涡轮喷气发动机的心脏部位，在服役过程中，工作温度最高，受力最复杂，最容易损坏，已成为发动机发展的决定因素.为了满足现代航空和航天发动机涡轮叶片承温和承载能力越来越高的要求，必须有效提高合金的综合性能，大力发展新一代涡轮叶片材料为此，一方面需通过从多晶铸造合金、定向结晶合金到单晶合金的转变，逐步消除高温下晶界的弱化作用；另一方面需通过合金化、微合金化以及组织设计大幅度提高合金的性能。

如上所述，镍基单晶高温合金是一种两相复合材料，由基体γ相和以立方结构存在的γ’沉淀相组成，如图1所示。γ’沉淀相均匀镶嵌在软的γ基体相中，是重要的强化相，其体积分数约为70%。镍基单晶高温合金良好的高温力学性能直接来源于γ基体中共格析出的高体积分数的γ’相，其力学性质主要由以下因素决定：

1)γ’沉淀相的形状、尺寸、体积分数以及分布状态。

2)γ/γ’相界面的微观结构、弹性模量差以及晶格错配度。3)第3种溶质元素和杂质的影响，即沉淀强化和固溶强化机制。镍基单晶高温合金是在普通铸造及定向凝固工艺的基础上发展起来的，其特点是无晶界，不存在高温晶界弱化和纵向晶界裂纹等问题.因此，γ/γ’相的界面微结构以及在外载和高温条件下相界面位错结构的演化决定了其力学性能。

图1 镍基单晶高温合金CMSX4微观结构

此外，镍基单晶高温合金有一个引人注意的特征:在高温施加应力的条件下，立方形γ’沉淀相会发生定向粗化形成筏状。2.2.1镍基单晶高温合金的蠕变性能

离心应力导致的蠕变损伤是单晶合金叶片的主要失效机制，因此蠕变强度是反映镍基单晶高温合金高温力学性能的重要指标.由于γ’相是镍基单晶高温合金的主要强化相，γ’颗粒的定向粗化在叶片典型使用条件(120 MPa及1373 K)下仅仅lOh就已经出现，其形态的改变必然会对高温合金性能产生严重影响。2.2.2蠕变过程及驱动力

镍基单晶高温合金的蠕变曲线由蠕变减速、稳态蠕变及蠕变加速3个阶段组成，图2给出了(001)取向镍基单晶高温合金的典型蠕变曲线.叶片在服役过程中主要经过这3阶段的蠕变，最终导致失效。

图2 单晶高温合金的典型蠕变曲线

在施加载荷的瞬间，产生瞬间应变，形变产生的界面位错在合金的γ基体通道中滑移，在蠕变第一阶段，γ’相不发生滑移变形，仅仅发生弹性变形，只有γ基体相发生蠕变变形。随着蠕变的进行，位错数量增加，或运动位错相遇发生反应而增殖，使位错运动阻力增加，致使应变速率降低。同时，由于热激活作用，促使位错滑移，或异号刃位错相遇而消失，使合金产生回复软化。当形变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变进入第二阶段，即稳态阶段。此时立方γ’相已完全转变为筏状结构，具有最低应变速率、稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过筏状γ’相。之后，随着蠕变的进行，大量位错运动至γ/γ’界面，产生应力集中。当应力集中超过一定值时，有位错切入γ’相.随位错切入γ’相数量的增加，γ’相形变抗力减弱，致使应变速率增加，合金蠕变进入第三阶段。在蠕变第三阶段，随应变量的增加，合金中形成微裂纹及微裂纹扩展直至断裂，最终导致单晶高温合金的失效。

从细观结构来看，镍基单晶合金由基体相γ和强化相γ’组成，蠕变前立方体状γ’相以共格方式嵌入γ基体中。在蠕变的初始阶段，伴随着合金γ基体中的位错运动，γ’相首先遵循一定的规律筏化(N型或P型)，在宏观上主要对应于蠕变第一阶段。最小体系自由能分析表明，这是一个能量降低的过程，有利于蠕变强度的提高；蠕变第二阶段在细观层次上筏化结构保持不变，而微观观测表明，位于相界处的有利于提高蠕变强度的三维位错网络逐渐消散，这意味着相界面结合能正在逐渐降低.蠕变的第三阶段表现出解筏和筏结构粗化，同时有一些空穴在材质松疏处、第三相粒子以及相界面上形成，并沿相界面扩展，最终导致断裂。

从以上对镍基单晶合金蠕变过程中微结构演化的分析表明：镍基单晶合金的蠕变性质由3个具有内在联系的微结构演化过程控制：

1)γ基体通道中位错密度增加，位错滑移和位错攀移控制主蠕变阶段，此时γ’相已完成筏化；

2)由于位错的湮灭，基体相中的位错切入γ’沉淀相中；

3)随着大量位错切入γ’相，γ’相形变抗力减弱，致使应变速率增加，表现出解筏和筏结构粗化。从以上分析可知，镍基单晶合金蠕变过程中出现的γ’相筏化、解筏以及粗化过程对应着γ/γ’相界面位错密度的增加、位错网结构的形成以及位错网的破坏过程.因此，镍基单晶合金的蠕变过程不仅是组织形状的演化过程，也是位错网结构的演化过程，与γ’相的定向粗化(筏化)密切相关。2.3单晶高温合金的再结晶 2.3.1再结晶物理过程

单晶叶片制造过程中在某些环节可能出现塑性变形，例如叶片凝固过程产生的热应力、表面吹砂处理、打磨处理等，都有可能导致在叶片中发生形变，而产生残余应力，组织结构方面发生了复杂的变化，一部分能量以点缺陷、位错、层错等方式储存在晶体当中，集中表现为能量的升高，即较之变形前处于不稳定的高自由能阶段，这部分能量，正是之后在热处理中发生回复和再结晶的驱动能。因此，只要当温度较高，原子扩散能力提高时，就会向着低自由能方向转变，这些区域在接下来的热处理过程中可能产生再结晶，图3给出了典型的单晶高温合金叶片的再结晶缺陷。

图3 单晶高温合金叶片再结晶缺陷

已有研究表明，单晶高温合金的再结晶包括回复、再结晶形核和生长、以及由晶界迁移引起的晶粒长大3个阶段，这3个阶段并没有明显的界限，会发生一些重叠。回复过程中，部分应力和储存能得以释放，但该过程对微观组织的影响很小，大部分能量仍然保存下来，然后通过形核和长大形成基本无应变的新晶粒。但由于单晶消除了晶界的影响，因而单晶合金的再结晶与普通变形金属和合金再结晶有着很大的区别，单晶高温合金再结晶需要的温度较高，再结晶区域基本仅限于合金表面。2.3.2影响单晶高温合金再结晶的主要因素

除合金元素对再结晶温度有显著影响外，研究表明，热处理温度、热处理时间、变形程度以及变形工艺等也将影响单晶高温合金的再结晶行为。2.3.2.1合金成分的影响

镍基高温合金通常含有十余种合金元素，成分复杂。不同体系合金表现出不同的再结晶行为。由于镍基高温合金中各元素的复杂交互作用，很难直接确定各元素对合金再结晶行为的影响。截至目前，除合金元素碳外鲜见其他合金元素对再结晶行为影响的直接研究报道。由于碳化物可以在γ’相溶解温度以上稳定存在，所以碳元素对再结晶的影响得到关注。

在含碳0.08%(质量分数，下同)的合金中形成了大尺寸的块状和骨架状碳化物。在经过1.88%压缩变形及固溶处理后，与不含碳合金表现出类似的再结晶行为，合金都发生了再结晶，再结晶晶粒都从表面向内部发展。而且，含碳合金与不含碳合金在固溶处理后都发生了程度相当的再结晶。认为碳化物虽然对再结晶晶界的迁移有一定的抑制作用，但在驱动力足够大时，再结晶晶界仍可绕过碳化物继续迁移。碳化物可以以粒子促进形核的方式形成再结晶核心，但在再结晶晶粒长大过程中，碳化物阻碍再结晶晶界迁移。这种碳化物对再结晶的不同作用可能与合金中碳化物的种类以及变形和热处理条件的不同有关。2.3.2.2退火温度的影响

单晶高温合金中的再结晶与一般金属和合金的再结晶不同。再结晶后形成了新的晶界，且再结晶后合金的性能明显降低。而且已不能简单的定义再结晶完成50%的温度为再结晶温度，对定向凝固和单晶高温合金来说，少量的再结晶即可引发性能的大幅变化。目前针对某类单晶高温合金确定其允许的临界再结晶体积分数仍鲜见到报道，因此，可以认为，出现再结晶的温度即为其再结晶温度。

由于具有共格γ’相的镍基高温合金在温度变化过程中将发生相变，导致退火温度变化时高温合金再结晶晶界及附近的过饱和溶质原子会以不同方式在晶界或晶内重新析出。因此，在γ’相固溶温度以上热处理将形成正常再结晶组织，在γ’相固溶温度以下热处理产生胞状再结晶。

在γ’相固溶温度以下热处理时，如果储存能足够大，将产生胞状再结晶。由于热处理温度较低，大量的γ’粒子仍未溶解，再结晶晶界溶解部分γ’粒子后，晶界上溶质原子的高度过饱和只能通过不连续沉淀的方式析出得以缓和。因此，以下两个条件有利于不连续沉淀(胞状再结晶)的发生：快速的晶界溶质原子传输和缺少可选的γ’粒子形核位置。胞状再结晶的形态特征为：靠近再结晶晶界处为垂直于界面排列的长条状粗大的γ’沉淀，在再结晶中心处为等轴状的γ’粒子。新形成的γ’粒子与再结晶晶粒内的γ’基体仍然保持共格且取向一致。胞状再结晶的驱动力为预加工导致的内在应变能的降低。

在γ’相固溶温度以上热处理时，枝晶干γ’粒子先溶解，再结晶首先在枝晶干产生。由于γ’粒子的溶解，导致γ’粒子对晶界迁移的阻碍较小。因此，晶界上溶解的溶质原子过饱和程度不大，同时温度较高时晶界扩散能力较强，溶质原子可以在再结晶晶界后端充分析出，形成正常的再结晶组织。

同时，对SRR99和AM3单晶高温合金在表面喷丸变形条件下的再结晶深度研究发现，随退火温度的升高，再结晶深度明显增加，表明退火温度对再结晶程度具有显著影响。已有的其他单晶合金的研究也表现出再结晶程度随退火温度的升高而增加的现象。

另外，有研究人员观察到对单晶高温合金进行压缩变形再固溶处理形成了完全再结晶组织。完全再结晶的晶界基本穿越整个试样，形成较大尺寸的新晶粒。这类再结晶将使合金的取向发生大幅度变化，可能出现大范围的性能薄弱区域，使单晶合金的性能陡降，甚至在后续加工过程中即发生失效断裂，在生产应用中应严格避免。2.3.2.3其他因素的影响的影响

除退火温度外，退火时间也对高温合金再结晶行为具有一定的影响。经硬度计压痕变形的CM-SX-4合金在不同温度退火时，再结晶区域的面积均随退火时间的延长而增加。另外，不同变形方式的变形程度不同也将影响其再结晶行为。变形程度越大，越容易发生再结晶。[100]和[110]取向的再结晶区域面积明显不同。因此，晶体取向对单晶高温合金的再结晶也具有一定的影响。

2.3.3再结晶对单晶合金性能的影响 2.3.3.1持久蠕变性能

离心应力导致的蠕变损伤是单晶合金叶片的主要失效机制，因此持久强度是单晶合金的重要性能指标。再结晶对持久性能的影响直接关系着合金使用的安全性。再结晶对合金持久性能影响很大，其原因是再结晶层几乎没有承载能力，出现再结晶就意味着增大应力。再结晶对单晶高温合金的持久性能具有明显的影响，且低温高应力下的持久性能的下降比高温低应力下更加显著。2.3.3.2疲劳性能

疲劳断裂是定向凝固和单晶高温合金叶片的主要失效形式，而表面再结晶层会严重影响定向凝固和单晶高温合金的疲劳性能。表面再结晶层由于含有与主应力相垂直的晶界，往往成为疲劳裂纹源。定向凝固DZ4合金叶片在使用过程中曾发生过多起叶身裂纹故障和断裂故障，经分析发现，DZ4合金叶片叶身裂纹与断裂为同一失效模式，均为叶片表面再结晶导致的疲劳失效。

2.3.4再结晶的抑制和消除

由上述研究结果可知，单晶高温合金的再结晶对合金的力学性能造成极为不利的影响。因此科研人员已开始致力于控制和消除再结晶的研究。目前公开的控制工艺主要可以分为回复处理和表面处理两大类，其中表面处理包括直接去除表面变形层、渗碳和表面涂层等方法。

回复热处理对抑制生产工艺中形成的约2%一5%变形所致的再结晶具有良好的效果。还有研究显示含有晶界强化元素的涂层几乎完全可以抵消胞状再结晶对合金疲劳寿命的影响；同时，表面涂覆含有晶界强化元素的涂层的再结晶试样比涂覆传统涂层的再结晶试样具有更高的疲劳寿命。

3结语

近来，国内具有优异性能的镍基单晶高温合金航空发动机叶片已进入实际应用阶段。而再结晶作为单晶生产使用过程中难以预测的降低其可靠性的主要问题之一，已开始引起人们的重视。尽管目前人们已对单晶高温合金的再结晶有了一定的认识，但研究工作缺乏系统性，仍有许多问题有待解决。对上述问题的深入研究并对单晶高温合金的蠕变性能的研究，将有助于提出有效控制再结晶发生的工艺，提高单晶高温合金零件的成品率，降低成本，增加航空发动机的安全性。

对于本次课程设计的感想有很多。

首先，这是继参加杨平老师的兴趣小组以来第二次写论文，就是方法不一样。不是自己做实验然后写论文，而是阅览各种文献然后自己找出一个线索和框架来展开整篇文章，写起来比较困难。但是在总结概括还有在海量文献中信息提取等方面的能力明显提高了很多。在兴趣小组主要学到的是科研方面实践能力和初次写文章的经验。所以在课程设计写论文时，查文献还有撰写论文方面都比较容易上手了。在阅览海量文献时，先把关于本课题的一些题目范围广一点的文献看一遍，脑子里想好单晶高温合金有什么好写的，我要怎样去写，从几个方面着手等等。然后先把几个可写点找出来，再翻阅一下网页上关于单晶高温合金的哪方面做的研究多，我就多看些哪方面的文章，多写哪方面。

其次，就各个要写的点寻找资料和信息，把需要的都保存起来，这算是资料整理阶段吧。整理好了就知道哪方面资料多、繁，哪方面重复性的信息多，要删减。而且哪些超出理解范围的，都要删掉。还有一个注意到的方面时，文献的日期，感觉这个挺重要的。两个文献在某方面说法有出入，日期久远的那个可能就是有所欠缺的了。这时候每个可写点都有好多的信息和资料了。然后，开始文献阅读，把收集整理好的信息了解，并规划好提纲开始撰写论文。

还有就是论文排版过程，感觉边写边排版会容易一点，因为自己知道文章框架的话可以一步一步展开。最后再看一下字体和段落，还有图片标题什么的问题。在排版方面又得到提高了。

最后，觉得在本次课程设计收获还是很多的。希望在以后的学习生活中能好好应用到这些技能。

4致谢

感谢老师和同学们的帮助，在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

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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：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。

第四篇：高温合金项目可行性研究报告

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高温合金项目可行性研究报告

高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，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，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

发展过程从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（gamma prime）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。

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，后来生报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

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产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金，逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。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轮盘，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。

高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。

此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。

编制单位：北京智博睿信息咨询有限公司

另：提供国家发改委甲、乙、丙级资质

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可行性研究报告大纲（具体可根据客户要求进行调整）第一章 研究概述 第一节 研究背景与目标 第二节 研究的内容 第三节 研究方法 第四节 数据来源 第五节 研究结论

一、市场规模

二、竞争态势

三、行业投资的热点

四、行业项目投资的经济性 第二章 高温合金项目总论 第一节 高温合金项目背景

一、高温合金项目名称

二、高温合金项目承办单位

三、高温合金项目主管部门

四、高温合金项目拟建地区、地点

五、承担可行性研究工作的单位和法人代表

六、研究工作依据

七、研究工作概况 第二节 可行性研究结论

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一、市场预测和项目规模

二、原材料、燃料和动力供应

三、选址

四、高温合金项目工程技术方案

五、环境保护

六、工厂组织及劳动定员

七、高温合金项目建设进度

八、投资估算和资金筹措

九、高温合金项目财务和经济评论

十、高温合金项目综合评价结论 第三节 主要技术经济指标表 第四节 存在问题及建议

第三章 高温合金项目投资环境分析 第一节 社会宏观环境分析 第二节 高温合金项目相关政策分析

一、国家政策

二、高温合金项目行业准入政策

三、高温合金项目行业技术政策 第三节 地方政策

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第四章 高温合金项目背景和发展概况 第一节 高温合金项目提出的背景

一、国家及高温合金项目行业发展规划

二、高温合金项目发起人和发起缘由 第二节 高温合金项目发展概况

一、已进行的调查研究高温合金项目及其成果

二、试验试制工作情况

三、厂址初勘和初步测量工作情况

四、高温合金项目建议书的编制、提出及审批过程 第三节 高温合金项目建设的必要性

一、现状与差距

二、发展趋势

三、高温合金项目建设的必要性

四、高温合金项目建设的可行性 第四节 投资的必要性

第五章 高温合金项目行业竞争格局分析 第一节 国内生产企业现状

一、重点企业信息

二、企业地理分布

三、企业规模经济效应

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四、企业从业人数

第二节 重点区域企业特点分析

一、华北区域

二、东北区域

三、西北区域

四、华东区域

五、华南区域

六、西南区域

七、华中区域

第三节 企业竞争策略分析

一、产品竞争策略

二、价格竞争策略

三、渠道竞争策略

四、销售竞争策略

五、服务竞争策略

六、品牌竞争策略

第六章 高温合金项目行业财务指标分析参考 第一节 高温合金项目行业产销状况分析 第二节 高温合金项目行业资产负债状况分析 第三节 高温合金项目行业资产运营状况分析 第四节 高温合金项目行业获利能力分析

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第五节 高温合金项目行业成本费用分析

第七章 高温合金项目行业市场分析与建设规模 第一节 市场调查

一、拟建 高温合金项目产出物用途调查

二、产品现有生产能力调查

三、产品产量及销售量调查

四、替代产品调查

五、产品价格调查

六、国外市场调查

第二节 高温合金项目行业市场预测

一、国内市场需求预测

二、产品出口或进口替代分析

三、价格预测

第三节 高温合金项目行业市场推销战略

一、推销方式

二、推销措施

三、促销价格制度

四、产品销售费用预测

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第四节 高温合金项目产品方案和建设规模

一、产品方案

二、建设规模

第五节 高温合金项目产品销售收入预测

第八章 高温合金项目建设条件与选址方案 第一节 资源和原材料

一、资源评述

二、原材料及主要辅助材料供应

三、需要作生产试验的原料

第二节 建设地区的选择

一、自然条件

二、基础设施

三、社会经济条件

四、其它应考虑的因素 第三节 厂址选择

一、厂址多方案比较

二、厂址推荐方案

第九章 高温合金项目应用技术方案 第一节 高温合金项目组成

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第二节 生产技术方案

一、产品标准

二、生产方法

三、技术参数和工艺流程

四、主要工艺设备选择

五、主要原材料、燃料、动力消耗指标

六、主要生产车间布置方案 第三节 总平面布置和运输

一、总平面布置原则

二、厂内外运输方案

三、仓储方案

四、占地面积及分析 第四节 土建工程

一、主要建、构筑物的建筑特征与结构设计

二、特殊基础工程的设计

三、建筑材料

四、土建工程造价估算 第五节 其他工程

一、给排水工程

二、动力及公用工程

三、地震设防

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四、生活福利设施

第十章 高温合金项目环境保护与劳动安全 第一节 建设地区的环境现状

一、高温合金项目的地理位置

二、地形、地貌、土壤、地质、水文、气象

三、矿藏、森林、草原、水产和野生动物、植物、农作物

四、自然保护区、风景游览区、名胜古迹、以及重要政治文化设施

五、现有工矿企业分布情况

六、生活居住区分布情况和人口密度、健康状况、地方病等情况

七、大气、地下水、地面水的环境质量状况

八、交通运输情况

九、其他社会经济活动污染、破坏现状资料

十、环保、消防、职业安全卫生和节能 第二节 高温合金项目主要污染源和污染物

一、主要污染源

二、主要污染物

第三节 高温合金项目拟采用的环境保护标准 第四节 治理环境的方案

一、高温合金项目对周围地区的地质、水文、气象可能产生的报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

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影响

二、高温合金项目对周围地区自然资源可能产生的影响

三、高温合金项目对周围自然保护区、风景游览区等可能产生的影响

四、各种污染物最终排放的治理措施和综合利用方案

五、绿化措施，包括防护地带的防护林和建设区域的绿化 第五节 环境监测制度的建议 第六节 环境保护投资估算 第七节 环境影响评论结论 第八节 劳动保护与安全卫生

一、生产过程中职业危害因素的分析

二、职业安全卫生主要设施

三、劳动安全与职业卫生机构

四、消防措施和设施方案建议

第十一章 企业组织和劳动定员 第一节 企业组织

一、企业组织形式

二、企业工作制度

第二节 劳动定员和人员培训

一、劳动定员

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二、年总工资和职工年平均工资估算

三、人员培训及费用估算

第十二章 高温合金项目实施进度安排 第一节 高温合金项目实施的各阶段

一、建立 高温合金项目实施管理机构

二、资金筹集安排

三、技术获得与转让

四、勘察设计和设备订货

五、施工准备

六、施工和生产准备

七、竣工验收

第二节 高温合金项目实施进度表

一、横道图

二、网络图

第三节 高温合金项目实施费用

一、建设单位管理费

二、生产筹备费

三、生产职工培训费

四、办公和生活家具购置费

五、勘察设计费

六、其它应支付的费用

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第十三章 投资估算与资金筹措 第一节 高温合金项目总投资估算

一、固定资产投资总额

二、流动资金估算 第二节 资金筹措

一、资金来源

二、高温合金项目筹资方案 第三节 投资使用计划

一、投资使用计划

二、借款偿还计划

第十四章 财务与敏感性分析 第一节 生产成本和销售收入估算

一、生产总成本估算

二、单位成本

三、销售收入估算 第二节 财务评价 第三节 国民经济评价 第四节 不确定性分析

第五节 社会效益和社会影响分析

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一、高温合金项目对国家政治和社会稳定的影响

二、高温合金项目与当地科技、文化发展水平的相互适应性

三、高温合金项目与当地基础设施发展水平的相互适应性

四、高温合金项目与当地居民的宗教、民族习惯的相互适应性

五、高温合金项目对合理利用自然资源的影响

六、高温合金项目的国防效益或影响

七、对保护环境和生态平衡的影响

第十五章 高温合金项目不确定性及风险分析 第一节 建设和开发风险 第二节 市场和运营风险 第三节 金融风险 第四节 政治风险 第五节 法律风险 第六节 环境风险 第七节 技术风险

第十六章 高温合金项目行业发展趋势分析

第一节 我国高温合金项目行业发展的主要问题及对策研究

一、我国高温合金项目行业发展的主要问题

二、促进高温合金项目行业发展的对策

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第二节 我国高温合金项目行业发展趋势分析 第三节 高温合金项目行业投资机会及发展战略分析

一、高温合金项目行业投资机会分析

二、高温合金项目行业总体发展战略分析 第四节 我国 高温合金项目行业投资风险

一、政策风险

二、环境因素

三、市场风险

四、高温合金项目行业投资风险的规避及对策

第十七章 高温合金项目可行性研究结论与建议 第一节 结论与建议

一、对推荐的拟建方案的结论性意见

二、对主要的对比方案进行说明

三、对可行性研究中尚未解决的主要问题提出解决办法和建议

四、对应修改的主要问题进行说明，提出修改意见

五、对不可行的项目，提出不可行的主要问题及处理意见

六、可行性研究中主要争议问题的结论

第二节 我国高温合金项目行业未来发展及投资可行性结论及建议

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第十八章 财务报表 第一节 资产负债表 第二节 投资受益分析表 第三节 损益表

第十九章 高温合金项目投资可行性报告附件 1、高温合金项目位置图 2、主要工艺技术流程图 3、主办单位近5 年的财务报表、高温合金项目所需成果转让协议及成果鉴定 5、高温合金项目总平面布置图 6、主要土建工程的平面图 7、主要技术经济指标摘要表 8、高温合金项目投资概算表 9、经济评价类基本报表与辅助报表 10、现金流量表 11、现金流量表 12、损益表、资金来源与运用表 14、资产负债表 15、财务外汇平衡表

报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

北京智博睿信息咨询有限公司 www.xiexiebang.com、固定资产投资估算表 17、流动资金估算表 18、投资计划与资金筹措表 19、单位产品生产成本估算表 20、固定资产折旧费估算表 21、总成本费用估算表、产品销售（营业）收入和销售税金及附加估算表

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第五篇：高温合金概述

1.1 高温合金

1.1.1 高温合金及其发展概况

高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。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的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Superalloy）。

高温合金于20世纪40年代问世，最初就是为满足喷气发动机对材料的耐高温和高强度要求而研制的，高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关，1939年英国Mond镍公司首先研究出Nimonic75，随后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作涡轮气发动机的叶片材料，此后该公司又在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。如今先进航空发动机中高温合金用量已超过50%。此外，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域得到广泛的应用。高温合金在满足不同使用条件中得到发展，形成各种系列的合金，除传统的高温合金外，还开发出一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。

高温合金是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机等高温热端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，对材料的质量控制与检测非常严格。高温合金的基本用途仍旧是飞行器的燃气轮发动机的高温部分，它要占先进的发动机重量的50％ 以上。然而，这些材料在高温下极好的性能已使其用途远远超出了这一行业。除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及汽车用途的涡轮发动机上。具体的发动机部件包括涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧部件以及发动机螺栓。除了燃气发动机行业之外，高温合金还被选择用于火箭发动机、宇宙、石油化工、能源生产、内燃烧发动机、金属成形(热加工工模具)、热处理设备、核电反应堆和煤转换装置。1956年我国正式开始研究高温合金，第一种高温合金是GH3030，用作WP-5火焰筒。上个世纪60年代先后研制成功GH4037、K417等。至70年代初，我国高温合金的生产研究已经初具规模，在这一阶段，主要是仿制、发展苏联高温合金及其工艺，质量达到了相当水平。70年代后，我国开始引进和试制了一批欧美体系的高温合金，研究生产了一批新型镍基合金，如GH4133、GH4133B、K405等。几十年来，我国已经研究生产了100多种高温合金，形成了较为完备的研究生产体系，同时发展了一系列具有特色的工艺技术，为我国航空事业提供了有力的保障。

高温合金的发展主要经历了几个阶段：二十世纪40年代以前提出概念，40-50年代实现在喷气发动机的应用，50-60年代在真空熔炼技术取得重大进展，60-70年代集中在合金化方面，70年代后主要在工艺研究方面，定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化和陶瓷过滤等新工艺成为高温合金发展的主要动力，其中定向凝固工艺制备的单晶合金尤为重要，在航空发动机涡轮叶片中应用尤为广泛。二十世纪80年代以来，国内外广泛开展数值模拟研究，取得了重要进展，并在此基础上开展了显微组织及冶金缺陷预测研究。

1.1.2 高温合金的种类

（一）铁基高温合金

铁基高温合金的定义是，这些合金的主要组分为铁，并含有相当数量的铬和镍，通常镍含量大约为25%-55%，Ni+Fe≥65%为基，尽可能含有少量的钼和钨。因为铁基高温合金中镍含量较高，所以也称铁-镍基高温合金。其强化方式为碳化物或金属间化合物沉淀强化和固溶强化。金属间化合物通常为Ni3(Al,Ti)即’相。铁基高温合金是由奥氏体不锈钢演化而来的。

各种合金元素的加入对合金带来一种或多种所期望的性能。对于具有面心立方母体的合金，最有效地强化是由像Ni、Al、Ti、Nb这样的元素实现的。这类合金也可通过加入相对大量的碳(约0.5%)以形成碳化物沉淀来强化，有时加入氮和磷以增加这种作用。

（二）钴基高温合金

钴基高温合金是以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛、镧。偶然也还含有铁的一类合金，与其他高温合金不同，它不是由与基体牢固结合的有序沉淀相来强化，而是由已被固溶强化的奥氏体fcc母体和母体中分布少量碳化物组成。铸造钴基高温合金却是在很大程度上依靠碳化物强化。纯钴晶体在417℃以下是密排六方（hcp）晶体结构，在更高温度下转变为fcc。为了避免钴基合金在使用时发生这种转变，实际上所有钴基合金由镍合金化，以便在室温到熔点温度范围内使组织稳定化。钴基合金具有平坦的断裂应力-温度关系，但在1000℃以上却显示出比其他高温下具有优异的抗热腐蚀性能，这可能是因为该合金含铬量较高，这是这类合金的一个特征。钴基合金比镍基合金的焊接性能和抗热疲劳性能更好。

（三）镍基高温合金

镍基高温合金是指在650℃-1200℃范围内使用，以镍为基体的奥氏体型合金。具有在使用温度下较高的强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性，是应用最广泛的高温合金。镍基高温合金广泛地应用于制造航空发动机、各类燃气轮机热部件，如涡轮部分的工作叶片、导向热片、涡轮盘和燃烧室等，由于镍基高温合金的工作温度高、组织稳定，有害相少，抗氧抗热腐蚀性好，能在较高温度和应力条件下工作，因此在高温合金中占重要地位。目前先进的发动机上镍基高温合金已占总量重的一半左右，不仅涡轮叶片和燃烧室，而且涡轮盘甚至压气机叶片也开始使用镍基合金。镍基高温合金按工艺分为变形、铸造（定向、单向、共晶）、弥散强化机械合金化，快速凝固粉末合金四类，依靠新工艺开发不仅可提高高温合金性能，还相应开发出多种新合金。镍基变形高温合金

镍基变形高温合金是以镍为基体（大于50%）的可塑性变形的高温合金。在650℃-1200℃温度下具有较高的强度，良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。分为固溶体强化和沉淀强化两类。自1941年英国发明第一种Nimonic75合金以来，由于其基体稳定，合金化强化潜力大，综合性能优异等，得到系列发展和广泛应用。⑴固溶强化型合金。

通过添加与Ni原子尺寸不同的W,Mo,Cr等使基体晶格畸变；加入降低合金层错能元素Co；减缓基体扩散速率元素W,Mo等，可获得一定高温强度、抗氧化、抗燃气腐蚀，冷热疲劳性能好，具有良好冷成型和焊接性能的系列合金。

⑵沉淀强化型合金。

主要是通过固溶处理进行时效处理；从过饱和固溶体γ中沉淀出γ’相，阻碍位错运动而实现强化合金。其次辅助以固溶强化和晶界强化。具有较高的高温蠕变强度、抗疲劳性能与抗氧化、抗腐蚀性能。镍基铸造高温合金

镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金。在600℃-1100℃的氧化和燃气腐蚀气氛中，可承受复杂应力长期可靠的使用。广泛应用于制造燃气涡轮发动机导向叶片、涡轮转子叶片以及航天、能源、石油化工等领域的高温结构件。

固溶强化是通过向基体中添加不同量的Cr,Co,W,Mo,Ta,Nb等元素，提高原子间结合力，使晶格畸变，降低堆垛层错能，产生短程有序及其原子偏聚，阻止位错运动，降低固溶体中元素扩散系数，强化合金基体。沉淀强化是通过添加Al,Ti,Nb,Ta,Hf,Re等元素，形成稳定的γ’相；加入C,B等元素与Cr,Ti,Nb,Hf,W,Mo等形成各类碳化物，强化合金及晶界，强化作用取决于强化相的类型、数量、形态、大小和分布。晶界强化通过加入微量B,Zr稀土元素添补原子空位，提高晶界合金化程度，净化晶界，减缓晶界扩散，强化在高温应力作用下合金的薄弱环节晶界。

1.1.3 高温合金的强化

（一）强化原理 1 固溶强化 固溶强化是将一些合金元素加入到铁、镍或钴基高温合金中，而仅形成单相奥氏体来达到强化的目的。高温合金中，合金元素的固溶强化作用首先是与溶质和溶剂原子尺寸因素差别相关联，此外两种原子的电子因素差别和化学因素差别都有很大影响，而这些因素也是决定合金元素在基体中的溶解度的因素。

固溶强化提高热强性主要反映在两方面：

（1）通过原子结合力的提高和晶格的畸变，使在固溶体中的滑移阻力增加，也就是使滑移变形困难而强化，这在温度T≤0.6T熔（熔点的绝对温度）时是相当重要的。

（2）在高温使用条件下（T≥0.6T熔）更为突出的是通过原子结合力的提高，降低固溶体中元素的扩散能力，提高再结熔晶温度，阻碍扩散式形变过程的进行，因而直接影响滑移变形对形变量的贡献。第二相强化

（1）内应力场的作用 以γ’相强化为例，由于γ’相在基体中共格析出，而在γ’相周围造成高的弹性应力场。显然γ’相与基体的点阵错配度越大，内应力场也越强，相应得强化效果也应该是越显著，同时也增大了γ’相本身的不稳定性。

（2）位错在第二相前受阻，通过扩散机构绕过第二相障碍的作用（3）位错与第二相颗粒的交互作用 铁、镍及高温合金中析出的γ’相，由于它与基体共格，具有与基体γ相同的晶体点阵，所以它能够被在基体滑移面上移动的位错所切割，形成超点阵位错和反相畴界。

第二相质点的大小、间距、数量及分布，直接影响其强化机制。3 晶界强化

与室温强化相反，晶界在高温形变时表现为薄弱环节，因而在破断时呈现晶间断裂的特征。晶界的晶体结构不规则，原子排列杂乱，晶格歪扭，同时又有各种晶体缺陷（如位错、空洞等）存在。在室温快速形变下，由于晶界不参与形变，并且可阻止晶内滑移的贯穿，因而有利于合金的强化。但是，在高温蠕变时，晶界弱化并参与变形，有时晶界形变量甚至可占总形变量的50%。在某种程度上可以认为，在常温下，晶界强度比晶内高，但晶界强度随温度升高下降的很快，在某一温度区间，晶内强度与晶界强度大致相当。温度再升高，晶界强度就比晶内强度低。

晶界通过多种途径对多晶材料产生重大的影响

（1）位向的作用。这里仅指晶界两边的晶粒位向不同而造成的影响；（2）晶界区结构的作用。这里不仅指晶界去本身的结构和缺陷特点，而且还指在晶界区存在的第二相质点的状态，及晶界区的其它组织结构特点；

（3）晶界区化学成分（偏析）的作用。由于晶界区的结构和缺陷特点，会带来杂质元素或其它元素（特别是微量元素）的偏析；由于晶界区的某些动力学现象，造成元素的局部贫富。

晶界的强化方式：

①添加有益的合金化元素，主要包括稀土元素，镁、钙、钡、硼、锆等元素。这些元素往往通过净化合金及微合金化两个方面来改善合金。稀土元素和碱土元素净化合金的作用比较明显，而硼、锆、镁等主要起强化晶界作用。

②控制晶界，常采用弯曲晶界以及取消横向晶界的手段来提高高温合金的晶界性能。碳化物强化及质点弥散强化作用

对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳化物硬而脆的本质及其非共格析出的特点，其强化作用有以下特点：

（1）低温下位错以Orowan绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难的。（2）并非所有碳化物具有强的时效强化能力，作为主要时效强化相的碳化物，必须具备以下条件：

1)具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性。极稳定的碳化物高温下难于溶解，低温下就不能有效析出。

2）碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件。晶界碳化物只对晶界行为产生有利或不利的影响。

3）作为主要强化相的恶碳化物必须有一定的稳定性。高温下容易长大的碳化物将失去强化效果。

（3）增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但过分高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。一般碳化物总量不能太大，因此强化程度是有限制的。

（4）强化基体，减少元素的恶扩散能力，这对于较易聚集长大的碳化物相来说是至关重要的。基体固溶体中的位错及层错处是碳化物析出形核处。时效析出前，固溶体结构状态对碳化物的析出以及碳化物与位错的交互作用有重要影响。碳化物在使用中发生的应变时效有强的强化效果。

（二）主要合金相（1）γ’ 相

γ’相是镍基合金和很多铁基合金的强化相，其点阵常数与γ基体相近，一般相差1%以下。考虑到高温下γ’的稳定性，通常要求γ和γ’之间只有较小的失调度。γ’沿基体的{100}面析出，并与基体共格。γ和γ’之间的界面能较低，所以γ’有较高的组织稳定性。

γ’相的数量、尺寸和分布对合金的高温强度有重要影响。镍基合金的高温强度随γ’的数量增加而增高。大多数镍基合金中γ’相的体积分数为30%以上，最强的合金中达60%以上。合金中γ’相的体积分数小时，其颗粒大小和间距对合金的性能有重要影响。（2）TCP相

TCP相是指Laves相（B2A）相(BA)、μ相(B7A6)、相等。其中A元素通常指周期表中Mn族以左的元素，如钛族、钒族、铬族等；B元素为锰族及锰族以右的元素，如铁、钴、镍等。它呈板状或针状，在特殊成分并且在特定条件下的合金中才可能形成。这种相存在的可能性随锭块中溶液偏析而增大，TCP相是高温合金中的脆性相，使合金断裂强度和塑性降低，对强化产生负作用。（3）碳化物

一类是具有复杂结构的碳化物，如M23C6、M6C，亦称半碳化物，金属原子高度密排，碳原子处于间隙位置。再者也是密排结构，但由于金属原子比较小，八面体间隙太小，容不下间隙原子，所以这种密排结构是具有较大的三棱形间隙的结构，间隙原子碳就在这种间隙位置，又称非八面体间隙化合物，如M3C M7C3。在热处理和服役期，MC型碳化物倾向于分解为其他碳化物，如M23C6和M6C，并倾向于在晶界形成。

1.1.4 高温氧化

（一）合金的氧化

合金的氧化与纯金属的氧化存在许多相似之处，纯金属氧化中发生的现象，也常会在合金氧化中发生。合金氧化行为的特殊性表现在：

（1）合金组元的选择性氧化。合金各组元对氧化不同的亲和力，与氧亲和力大的组元优先氧化。若此亲和力相差悬殊，甚至可能形成只含有一种合金组分的氧化膜，即发生组元的选择性氧化，而在基体中该组元则相对地贫化。（2）相的选择性氧化。当合金中各相在界面上化学稳定性由显著差异时，则不稳定相优先氧化，造成合金表层组织不均匀性。

（3）内氧化。如果合金具有一定的氧溶解度，并且氧向合金内部的扩散速率较快，合金中较活泼的组元便在合金内形成氧化物，即发生内氧化。

（4）合金氧化膜的组成和结构有多种可能形式。当合金氧化时，有时可能只有其中一种与氧亲和力特别强的组元生成氧化物；有时则各组成元素均可能发生氧化，生成各种氧化物。因此，合金的氧化膜在一层中可能由两个或两个以上的相组成；而纯金属氧化膜，即使由多层组成，各层往往只是一个相。（5）合金中各种氧化物之间相互作用可能生成氧化物的固溶体或复合氧化物，形成不同组成关系。

（二）镍基高温合金的抗氧化性

镍基合金是目前在高温高负荷条件下使用的优良耐蚀合金。镍氧化时只生成p型半导体NiO膜，其氧化反应速率和氧化膜增长速率都显著低于Fe和Co。由于NiO的晶格常数小和晶体中阳离子空穴浓度低，NiO锈皮具有很好的致密性和低的氧化速率。此外。NiO具有优良的高温塑性，并与基体镍有近似的热胀系数，这使锈皮在应力和温度交变作用下能牢靠地附着在基体表面而不脱落。但是NiO表面可大量吸附氧，镍中溶解氧的能力也比Fe，Co强，因此镍基合金易发生内氧化。镍的高温抗氧化性优于Fe和Co，而略低于铬。镍的抗氧化温度可达1100℃，并且有良好的抗高温碳蚀、氮蚀、卤素气体腐蚀，但是在含硫的气体中其腐蚀抗力较差