第一篇：鎳基高溫合金材料研究進展匯總

鎳基高溫合金材料研究進展

姓名：李義鋒 鎳基高溫合金材料概述

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，在高溫環(huán)境下服役，并能承受嚴酷的機械應力及具有良好表面穩(wěn)定性的一類合金[1]。高溫合金一般具有高的室溫和高溫強度、良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力、良好的組織穩(wěn)定性和使用的可靠性[2]。因此，高溫合金既是航空、航天發(fā)動機高溫部件的關鍵材料，又是艦船、能源、石油化工等工業(yè)領域不可缺少的重要材料，已成為衡量一個國家材料發(fā)展水平的重要標志之一。

在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有特殊重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更高的高溫強度和組織穩(wěn)定性，廣泛應用于制作航空噴氣發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機的熱端部件?，F(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機有50%以上質(zhì)量的材料采用高溫合金，其中鎳基高溫合金的用量在發(fā)動機材料中約占40%。鎳基合金在中、高溫度下具有優(yōu)異綜合性能，適合長時間在高溫下工作，能夠抗腐蝕和磨蝕，是最復雜的、在高溫零部件中應用最廣泛的、在所有超合金中許多冶金工作者最感興趣的合金。鎳基高溫合金主要用于航空航天領域950-1050℃下工作的結(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。因此，研究鎳基高溫合金對于我國航天航空事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

鎳基高溫合金是以鎳為基體(含量一般大于50)、在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金[2]。它是在Cr20Ni80合金基礎上發(fā)展起來的，為了滿足1000℃左右高溫熱強性(高溫強度、蠕變抗力、高溫疲勞強度)和氣體介質(zhì)中的抗氧化、抗腐蝕的要求，加入了大量的強化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保證其優(yōu)越的高溫性能。除具有固溶強化作用，高溫合金更依靠Al、Ti等與Ni形成金屬問化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出強化和部分細小穩(wěn)定MC、M23C6碳化物的晶內(nèi)彌散強化以及B、Zr、Re等對晶界起凈化、強化作用。添加Cr的目的是進一步提高高溫合金抗氧化、抗高溫腐蝕性能。鎳基高溫合金具有良好的綜合性能，目前已被廣泛地用于航空航天、汽車、通訊和電子工業(yè)部門。隨著對鎳基合金潛在性能的發(fā)掘，研究人員對其使用性能提出了更高的要求，國內(nèi)外學者已開拓了針對鎳基合金的新加工工藝如等溫鍛造、擠壓變形、包套變形等。

鎳基高溫合金的發(fā)展歷程

鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊重要的地位，它的開發(fā)和使用始于20世紀30年代末期，是在噴氣式飛機的出現(xiàn)對高溫合金的性能提出更高要求的背景下發(fā)展起來的。英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic75(Ni--20Cr-0.4Ti)，為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Ni-monic80(Ni--20Cr--2.5Ti一1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基高溫合金。

鎳基高溫合金的發(fā)展包括兩個方面：合金成分的改進和生產(chǎn)工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術的發(fā)展為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件；50年代后期，采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金；60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金；為了滿足艦船和工業(yè)燃氣輪機的需要，60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢如圖l所示。

圖1 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢是耐高溫能力更強的單晶高溫合金。單晶高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學I生能得到了廣泛應用。至今，單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第四代。使用溫度接近合金熔點80-90%的第三代鎳基單晶高溫合金代表了上個世紀末高溫合金發(fā)展的最高水平。目前，更加優(yōu)良的第四代單晶的研制已經(jīng)取得了初步進展[3]。2000年后出現(xiàn)了第四代單晶高溫合金，例如MC-NG，EPM-102和TMS-162，它們的特征是都添加了釕元素[4]。一個現(xiàn)代單晶渦輪葉片的成本是等重量的微合金鋼的數(shù)百倍，不僅反映出構(gòu)成單晶高溫合金元素}向貴重或稀缺，更顯示出所用工藝的先進程度。鎳基高溫合金的性能研究

（一）力學性能

20世紀70年代，B．H．Kean等做持久實驗時發(fā)現(xiàn)，以擠壓比16：1擠壓In-100合金，在1040℃ 的實驗溫度下得到1330%的延伸率，并認為這與合金中析出的第二相粒子控制晶粒長大有關。粉末高溫合金由于其細晶組織而較易得到超塑性，如In-l00、In-713、U-700等鎳基高溫合金可以通過粉末冶金的方法獲得超塑性，其延伸率可以達到1000%[5]。利用快速凝固法也可以實現(xiàn)高溫合金晶粒的微細化，從而得到組織超塑性現(xiàn)象。

毛雪平等[6]在500~600℃高溫條件下對鎳基合金C276進行了拉伸力學試驗，并分析了溫度對彈性模量、屈服應力、斷裂強度以及延伸率的影響，發(fā)現(xiàn)鎳基合金C276在高溫下具有屈服流變現(xiàn)象和良好的塑性。

（二）氧化行為

在高溫條件下，抗氧化性靠Al2O3。和Cr2O2。保護膜提供，因此鎳基合金必須含有這兩種元素之一或兩者都有，尤其是當強度不是合金主要要求時，要特別注意合金的抗高溫氧化性能和熱腐蝕性能，高溫合金的氧化性能隨合金元素含量的不同而千差萬別，盡管高溫合金的高溫氧化行為很復雜，但通常仍以氧化動力學和氧化膜的組成變化來表征高溫合金的抗氧化能力。趙越等[7]在研究K447在700～950℃ 的恒溫氧化行為時發(fā)現(xiàn)其氧化動力學符合拋物線規(guī)律：在900℃以下為完全抗氧化級，在900～950℃為抗氧化級，而且K447氧化膜分為3層，外層是疏松的Cr2O3。和TiO2。的混合物，并含有少量的NiO及NiCr2O4尖晶石；中間層是Cr2O3；內(nèi)氧化物層是Al2O3。并含有少量TiN，隨著溫度的升高，表面氧化物的顆粒變大，導致表面層疏松，氧化反應加速進行。

（三）疲勞行為

在實際應用中，各種零部件在承受著高溫、高應力的作用時，尤其在啟動、加速或減速過程中，快速加熱或冷卻引起的各種瞬間熱應力和機械應力疊加在一起，致使其局部區(qū)域發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生疲勞影響零件壽命，故要研究其高溫疲勞行為。何衛(wèi)鋒等在研究激光沖擊工藝對GH742鎳基高溫合金疲勞性能的影響時發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強化能延長鎳基高溫合金抗拉疲勞壽命316倍以上，延長振動疲勞壽命214倍，強化后殘余壓應力影響層深度達110mm。郭曉光等在研究鑄造鎳基高溫合金K435室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，在應力比R=-1，轉(zhuǎn)速為5000r／min(8313Hz)和實驗室靜態(tài)空氣介質(zhì)環(huán)境下，K435合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為220MPa，裂紋主要萌生在試樣表面或近表面缺陷處，斷口主要由裂紋萌生區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)組成。黃志偉等在研究鑄造鎳基高溫合金M963的高溫低周疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，由于高溫氧化作用在相同的總應變幅下，M963合金在低應變速率下具有較短的壽命；因為該合金的強度高、延性低，形變以彈性為主，M963合金具有較低的塑性應變幅和較低的過渡疲勞壽命。于慧臣等[8]朝在研究一種定向凝固鎳基高溫合金的高溫低周疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，由于合金在不同溫度范圍內(nèi)具有不同的微觀變形機制，溫度對合金的變形有明顯影響，在760℃以下合金呈現(xiàn)循環(huán)硬化，而在850℃和980℃時則表現(xiàn)為循環(huán)軟化。

（四）高溫蠕變行為

當溫度T≥(0.3～0.5)Tm時，材料在恒定載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時間相關的塑性變形。實際上是因為在高溫下原子熱運動加劇，使位錯從障礙中解放出來從而引起蠕變。水麗等在對一種鎳基單晶合金的拉伸蠕變特征進行分析時發(fā)現(xiàn)，在980～1020℃、200～280MPa條件下蠕變曲線均由初始、穩(wěn)態(tài)及加速蠕變階段組成；在拉伸蠕變期間γ′強化相由初始的立方體形態(tài)演化為與應力軸垂直的N-型筏形狀；初始階段位錯在基體的八面體滑移系中運動；穩(wěn)態(tài)階段不同柏氏矢量的位錯相遇，發(fā)生反應形成位錯網(wǎng)；蠕變末期，應力集中致使大量位錯在位錯網(wǎng)破損處切人筏狀7相是合金發(fā)生蠕變斷裂的主要原因。李楠等在研究熱處理對一種鎳基單晶高溫合金高溫蠕變性能的影響時發(fā)現(xiàn)，尺寸為0.4 m左右、規(guī)則排列的立方γ′相具有較好的高溫蠕變性能，而較小的γ′相和較大的γ′相均不利于合金在高溫下的蠕變性能，二次時效處理對提高合金高溫蠕變強度的作用不大，筏形組織的完善程度影響合金高溫下的蠕變性能，二次γ′相不利于提高合金高溫蠕變性能。鎳基高溫合金的強化研究

（一）熱處理

熱處理對合金第二相粒子γ′相的形成、形態(tài)和穩(wěn)定性有重要影響，探索合適的熱處理制度對控制和穩(wěn)定合金的微觀組織、提高合金的高溫性能有著積極的意義。經(jīng)過長期反復研究證實，時效強化的實質(zhì)是從過飽和固溶體中析出許多非常細小的沉淀物顆粒，形成一些體積很小的溶質(zhì)原子富集區(qū)。在時效處理前進行固溶處理時，必須嚴格控制加熱溫度，以便使溶質(zhì)原子能最大限度地固溶到固溶體中，同時又不致使合金熔化。在進行人工時效處理時，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，才能得到比較理想的強化效果；生產(chǎn)中有時采用分段時效，即先在室溫或比室溫稍高的溫度下保溫一段時間，然后在更高的溫度下再保溫一段時間。

（二）表面處理

由于鎳基高溫合金成分十分復雜，含有鉻、鋁等活潑元素，高溫合金零件表面在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為表面化學不穩(wěn)定，同時經(jīng)機械加工而制成的零件表面留下加工硬化或殘余應力等表面缺陷，這對高溫合金零件的化學性能和力學性能都帶來十分不利的影響。為了消除這些影響，常采用表面防護、噴丸處理、表面晶粒細化以及表面改性等措施。噴丸強化是工業(yè)上常用的提高疲勞性能的表面改性工藝技術。高玉魁等發(fā)現(xiàn)噴丸強化可以延長DD6單晶高溫合金在高溫下的疲勞壽命，而且隨著溫度升高，疲勞壽命增益系數(shù)下降。在實際應用中發(fā)現(xiàn)噴丸處理對材料強化效果不佳，對合金疲勞性能改善甚微，現(xiàn)急需一種效果更好的強化方法來取代噴丸，隨著高能脈沖激光器制造水平的提高而發(fā)展起來的激光沖擊強化技術無疑是一種理想的替代方式，通過強激光誘導的沖擊波在金屬表層引入殘余壓應力，從而抑制疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，是一種新型的金屬表面強化技術。

（三）合金元素

鎳基高溫合金能溶解較多的合金元素，如Cr、W、Mo、Co、Si、Fe、A1、Ti、B、Nb、Ta、Hf等。這些合金元素加入到基體中可以產(chǎn)生合金強化效應，影響鎳基高溫合金的性能，改善合金的組織。

在鎳基合金中添加微量稀土元素，能提高合金的熱加工性能和抗氧化性能。周永軍等I-在研究稀土對鎳基高溫合金性能影響的電子理論中發(fā)現(xiàn)，稀土與雜質(zhì)硫相互吸引，其結(jié)果是分散和固定部分雜質(zhì)，可以改善合金高溫性能。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，加入碳可以凈化合金液，改善合金的抗腐蝕性能，并且可以減少再結(jié)晶的幾率，碳的微量加入還有利于降低合金縮孔含量。劉麗榮等在研究碳對一種單晶鎳基高溫合金鑄態(tài)組織的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著碳含量的增加，合金的初熔溫度逐漸降低，共晶數(shù)量和尺寸減小，碳化物數(shù)量逐漸增多，碳化物的形態(tài)從斑點狀變?yōu)榘唿c狀和骨架狀相結(jié)合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一次枝晶間距變化較大，而二次枝晶間距變化不大，W和AI元素的偏析降低，Ta和Mo元素的偏析增大。

為了保持合金的組織穩(wěn)定性，第二、三代單晶高溫合金在提高難熔金屬元素的同時不得不降低元素Cr的含量，含量的持續(xù)降低會損害合金的抗氧化、抗腐蝕性能，在第四代鎳基單晶高溫合金中，引入新的合金元素Ru，能夠提高鎳基高溫合金的液相線溫度，提高合金的高溫蠕變性能和組織穩(wěn)定性，與第三代單晶高溫合金相似，第四代單晶高溫合金中Cr的質(zhì)量分數(shù)仍然較低，為2 ～4。目前國內(nèi)外對高Cr+Ru鎳基高溫合金的研究還非常有限。石立鵬等[9]在研究高Ru和高 對鎳基高溫合金組織穩(wěn)定性的影響時發(fā)現(xiàn)，高Cr能促進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，從而提高組織穩(wěn)定性。

Al、Ti和Ta元素都是近年來發(fā)展的單晶高溫合金中的重要元素。A1和Ti是 相形成元素，同時Ti也是MC碳化物形成元素；Ta能置換一部分Al和Ti而進入γ′相，同時也與碳形成穩(wěn)定的TaC，在只有微量碳的單晶高溫合金中絕大多數(shù)Ta幾乎都進入γ′相。因此，A1、Ti和Ta是γ′相形成和強化元素，其含量能夠決定合金的強化相7 的百分含量及其強化程度。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

從用途和發(fā)展的角度分析，鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢必向高強度、抗熱腐蝕性、密度小的方向發(fā)展。

(1)追求高強度。通過添加適量的Al、Ti、Ta，保證γ′強化相的數(shù)量．加人大量的W、Mo、Re等難熔金屬元素，也是提高強度的有效途徑。但是為了維持良好的組織穩(wěn)定性，不析出σ、υ等有害相，而在新一代合金中通過加入Ru來提高合金的組織穩(wěn)定性。

(2)發(fā)展抗熱腐蝕性能優(yōu)越的單晶合金。通過添加適量的W、Ta等難熔金屬，保證高的Cr含量。

(3)發(fā)展密度小的單晶合金。從航空發(fā)動機設計的角度考慮，密度大的合金難有作為，特別是對動葉片，在非常大的離心力下是不適合的。為此，要發(fā)展密度小的單晶高溫合金，如CMSX-

6、RR2000、TMS-61、A

3、ONERA M-3等，其中的RR2000單晶合金實際上是在IN100(K17)合金基礎上發(fā)展的，密度為7.87g／cm3[10]。參考文獻

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第二篇：鈮合金高溫材料

我知道的高溫材料-含鈮高溫材料的應用現(xiàn)狀

摘要:高強妮合金具有比重小、強度高、韌性好、易焊接等優(yōu)點，是制造高性能航空航天吃行器高溫部件的重要材料，研究者通過碳化物強化、高溫固溶淬火、人變形擠壓、時效和熱機械處理等方法研制出系列高強妮合金。航空航天高溫結(jié)構(gòu)件減重是研究新型妮合金的一個重要方向，選用密度為6-7.2 g/cm3耐的系列低密度妮合金，無涂層可在700℃以下工作，加涂層可在1 200℃以下工作。本文綜述了含鈮高溫材料在航空航天工業(yè)以及民用工業(yè)中的應用。

關鍵詞：低密度鈮合金材料、航空航天工業(yè)、凃?qū)?、鈮合?1前言

據(jù)有關資料統(tǒng)計 , 世界鈮總貯藏量約為3800 萬 t。巴西是世界第一鈮資源大國 , 其貯藏量和生產(chǎn)量最多 , 貯藏量約 2300 萬t,占世界總量的 60%。其次是澳大利亞、加拿大、前蘇聯(lián)等國家。中國也是鈮資源較豐富的國家 ,貯藏量占世界總量的 17% 左右。豐富的自然資源是鈮工業(yè)發(fā)展的重要保障和優(yōu)越條件。近年來 , 世界對鈮的需求趨于穩(wěn)定發(fā)展。

妮與其它高溫結(jié)構(gòu)材料一鎢、鉑、鎳、鋼等相比，具有熔點高、密度小、塑韌性和焊接性能好、比強度高等突出的優(yōu)點，是更高溫度使用的新型航空航天結(jié)構(gòu)件的備選材料。妮合金按照強度和塑性的不同，分為高、中、低強妮合金，國外中、低強妮合金在1970年前后己研制成熟;高強度鈮合金的研究從20世紀70年代開始，分為固溶強化為主和彌散強化為主兩種，國外(主要是前蘇聯(lián)和美國)對高強鈮合金制備技術進行了深入研究，我國在該類材料的研究還屬空白。低密度鈮合金是先進航空航天發(fā)動機和小推力火箭發(fā)動機的重要候選材料之一。但是，鋸合金材料抗氧化性能差，純金屬鋸在600℃即存在氧化現(xiàn)象，隨著氧化進一步加重，氧化物與金屬界面上產(chǎn)生的內(nèi)應力使氧化層開裂，之后發(fā)生災難性氧化，嚴重影響了材料在高溫有氧環(huán)境下的應用。因此，鋸合金作為高溫結(jié)構(gòu)材料應用的關鍵性問題是提高其抗氧化性能。本文主要講述含鈮材料高溫應用現(xiàn)狀及特點。2航天航空工業(yè)用鈮

航天航空工業(yè)是是高純鈮的主要應用領域。多數(shù)用作各種火箭和飛船的發(fā)動機和耐熱部件。據(jù)報道 , 最新設計的重返地球的航天飛機中 , 約用鈮 2700kg。N b 2 10Hf 等合金用于發(fā)射通訊衛(wèi)星的火箭助推器。N b-1Zr 等合金可使火箭推進控制達數(shù)千次起動的要求 ,用于火箭軌道調(diào)整和阻力補償發(fā)動機、航天飛行器的反作用控制發(fā)動機等。軍用飛機用鈮量與日俱增 , 目前已達到空前水平。在美國 , 實際上所有的噴氣式戰(zhàn)斗機發(fā)動機的耐熱部件都采用鈮耐熱合金 , 如每臺 F — 15 和 F — 16 戰(zhàn)斗機的發(fā)動機分別用鈮 78kg 和鈦 2400kg。

新型鈮材料低密度鈮合金的優(yōu)點是密度小、比強度高、抗氧化性能優(yōu)于高妮含量的妮合金(Nb+W>80%，質(zhì)量分數(shù))，能夠與常用的妮合金和欽合金焊接，缺點是室溫塑韌性較差。不加抗氧化涂層可在550-800℃大氣環(huán)境中使用而不被氧化，加抗氧化涂層可在800-1 300℃大氣環(huán)境中使用，當涂層破壞后，合金基體不會立即被燒穿和破壞。航空航天高溫結(jié)構(gòu)件減重是研究新型鈮合金的一個重要方向，選用密度為 6 ~7.2 g /cm3的系列低密度鈮合金，無涂層可在 700 ℃以下工作，加涂層可在 1 200 ℃以下工作，低密度妮合金材料的制備方法很多，有真空燒結(jié)法、熱等靜壓法、電弧熔煉法、等離子熔煉等。采用粉末冶金法很容易獲得成分均勻的合金材料，但由于雜質(zhì)元素含量高，材料硬脆、塑性較差。熔煉是常用的合金制備方法，由于合金中的Nb、Ti、Al元素熔點、密度相差很大，給熔煉均勻合金成分鑄錠帶來很大困難。等離子熔煉是一種很好的熔煉方法，真空自耗電弧熔煉法生產(chǎn)的鑄錠易出現(xiàn)偏析、氣孔和裂紋等缺陷。近幾年，激光和電子束快速成型技術在金屬零件的制備方面發(fā)展很快，采用3D打印技術制備復雜形狀和薄壁妮合金零件成為一個新的研究方向。含鈮高溫合金在民用工業(yè)中的應用（1）柴油機﹑內(nèi)燃機增壓渦輪

年代以來，歐美等國增壓渦輪材料多采用 Inconel713C 鎳基合金和 X-40鈷基合金，前蘇聯(lián)的渦輪材料為ЭП-787Л和 BЖ36-Л3,此外美國和日本還采用CRM-6D 鑄造耐熱鋼制作增壓渦輪。經(jīng)過多年開發(fā),K213 和 K218 合金精鑄的增壓渦輪已經(jīng)廣泛用作坦克﹑船舶﹑冶金礦山﹑農(nóng)用機械﹑石油鉆機﹑大型運輸載重車輛等領域的發(fā)動機上,推廣應用的柴油機增壓器型號近30 種,內(nèi)燃機車型號有 45GP80 和 1301 等.10 余年來，鋼研總院﹑濟南柴油機廠﹑濰坊柴油機廠﹑戚墅堰機車車輛所等單位已經(jīng)形成批量生產(chǎn)基地，年生產(chǎn)量達 15000 件以上。

（2）玻璃工業(yè)離心頭

離心頭是離心噴吹玻璃棉的關鍵部件，1250℃的熔融玻璃在離心頭的2400r/min 轉(zhuǎn)數(shù)的離心作用下，通過離心頭側(cè)壁的 7000 個φ1mm 小孔,甩制成φ7μm 以下的玻璃棉.離心頭長期處于 980 攝氏度高溫高速旋轉(zhuǎn)下工作，既受高溫高速燃氣的氧化腐蝕和直接沖刷，又受高堿熔融玻璃的沖刷和腐蝕(3)石化工業(yè)應用

乙烯是石油化工的三大合成材料的基礎原料之一.乙烯的生產(chǎn)能力標志各國石化工業(yè)的發(fā)展水平。我國 70 年代初即開始引進大型的乙燃裝置。生產(chǎn)乙烯的裝置是乙烯裂解爐，高溫爐管是乙烯裂解爐的關鍵部件。裂解爐管在 1000℃以上高溫下長時間工作，又處于腐蝕性介質(zhì)氣氛下，目前世界各國主要采用高鉻鎳合金并通過離心鑄造法生產(chǎn)。1993 年首批 ZG4Cr25Ni35WNb 合金爐管安裝在盤棉天然氣化工廠的 SRT-IXHS 型裂解爐第一程爐管，該爐管原采用日本久保田公司的 KHR35C-HISI 合金鑄管，管壁設計溫度為 1150℃。目前使用時間已達 6000小時。4 結(jié)語

低密度妮合金的比強度高于高溫合金，塑性適中、焊接性能好，它的突出優(yōu)點是比重小，是未來航空航天提高使用溫度、減輕高溫結(jié)構(gòu)件重量的必選材料，但大尺寸低密度妮合金材料的制備技術尚需深入研究。

現(xiàn)在使用鈮合金，將巨大地推動了鈮合金的應用；或用于一個好的投資項目，比如，載人的國際間星際探險計劃，或用于大規(guī)模、威脅到世界和平以及伴隨著非法武裝的計劃。由于超音速飛機的應用，我們樂觀地看到鈮合金是具有優(yōu)勢的材料，能夠用于制作超音速沖壓式噴氣發(fā)動機的部件。大體上說，政府投資鼓勵鈮合金發(fā)展計劃（特別是多重的、平行的）不可能再發(fā)生。除非開辟一些獨特的領域，新產(chǎn)品尺寸的提高伴隨著使用更大尺寸的噴氣防護罩，可能會在一定程度上推動 C103 合金薄板的消費。過去的一些老合金可能被重新使用的情況未必能出現(xiàn)。自由貿(mào)易仍占主導地位，像其它特殊材料一樣，鈮合金的應用也將建立在優(yōu)良的性能以及合適的價格基礎上。提高涂層的性能，能夠擴展鈮合金的使用范圍。優(yōu)良的性價比將推動鈮合金未來在高溫領域中的應用。

第三篇：鍍鎳碳納米管研究進展

《高性能電磁屏蔽復合填料的制備及表征》

班級：11080801 學號：2008302929

姓名：何征 日期：2011.12.12 碳納米管電磁屏蔽填料的研究進展

1．引言

電磁屏蔽材料是一種集結(jié)構(gòu)/功能一體化的復合材料，具有優(yōu)異的綜合性能和電磁防護功能，其基本原理主要是基于電磁波穿過防電磁波輻射材料時，產(chǎn)生波反射、波吸收和電磁波在材料內(nèi)的多次反射，導致電磁波能量衰減[1]。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場中各種軍用設備電磁輻射功率增強，對電磁防護的要求也越來越高[2] ,需要開發(fā)出新型的電磁屏蔽復合材料。電磁屏蔽材料大多數(shù)是由單組份的高導電率或高磁導率電磁屏蔽填料均勻分散在聚合物基體中加工而成 [3]。目前常用的電磁屏蔽材料可以分為本征型和摻和型。本征型電磁屏蔽材料主要是以導電聚合物如聚苯胺、聚毗咯等與其它樹脂混合組成復合涂料。摻和型電磁屏蔽涂料主要是由樹脂、稀釋劑、添加劑及導電填料等組成[4]。

由于碳系填料加工簡單，因此常用電磁屏蔽填料，例如有炭黑、石墨、納米石墨微片和碳納米管等。自1991 年日本N EC 公司的S.Iijima 教授發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，由于其獨特的力學、電學、光學及磁學性能引起了全球科學家的廣泛關注。碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)和介電性, 使其表現(xiàn)出較強的寬帶微波吸收性能, 同時兼具質(zhì)量輕、導電性可調(diào)、高溫抗氧化性能強和穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點, 是一種有前途的微波吸收劑, 可以作為潛在的隱身材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料, 在此基礎上, 碳納米管微波吸收材料的研究取得了積極的成果。2.技術研究進展

朱紅[5]采用化學鍍的方法對碳納米管進行表面鍍鎳，T EM 觀察證實了碳納米管上已鍍覆了鎳層，鍍層厚度約8~ 15nm。采用HP8722ES 矢量網(wǎng)絡分析儀 測量了樣品在2~ 18GHz 頻率范圍內(nèi)的復介電常數(shù)和復磁導率。用吸收屏理論公式計算其反射損耗(R.L.)、匹配厚度(dm)及匹配頻率(f m)，結(jié)果表明, 隨著匹配厚度的增大, 化學鍍鎳碳納米管的吸收峰沒有發(fā)生移動, 當匹配厚度dm = 0.2mm時, 樣品最低反射損耗達-11.40dB, 對應的匹配頻率f m = 15.6GHz, 而且在整個電磁波頻率測試范圍內(nèi), 反射損耗值均<10dB)和5.41GH z(R <-6dB)。碳納米管表面鍍鎳后吸收峰值雖然變小, 但吸收峰有寬化的趨勢, 這種趨勢有利于制造寬頻吸波材料。

王盡美等[7]利用碳納米管一納米管狀聚苯胺復合材料，進行化學無電金屬鍍層。經(jīng)過采用Ni、Cu和Ni—Cu復合鍍層工藝試驗對比，形成了納米金屬鍍層復合物。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的金屬顆粒在聚苯胺分子的表面形成了均勻分布和穩(wěn)定的結(jié)合，利用TG、XRD等一系列實驗分析表明鍍層材料具有良好的金屬一納米管狀聚苯胺晶體共軛結(jié)構(gòu)。通過壓片法，利用波導管進行抗電磁波性能分析，電磁波的屏蔽效應達到了40dB，證明該材料在電磁屏蔽及相關電子、傳感器等技術應用中，將具有良好的應用前景。

圖3 納米聚苯胺金屬鍍層SEM結(jié)構(gòu)圖

從圖3可見，在納米管狀聚苯胺的表面鍍銅后，銅樣普遍要高。而在聚苯胺分子氧化分解后，金屬材料粒子形成均勻的分布。而直接鍍鎳后，聚苯胺表面的仍具有良好的穩(wěn)定性。金屬層分布就不是很均勻，在納米管狀的材料縫隙間存在著大量的不規(guī)則的鎳金屬顆粒。利用鎳、銅復合鍍層，在聚苯胺的納米管表面形成了非常良好的連續(xù)均勻的鍍層。

趙東林[8]等用豎式爐流動法, 以二茂鐵為催化劑, 噻吩為助催化劑, 苯為碳源通過催化裂解反應在1100～1200℃制備了直線形碳納米管, 外徑為20～50 nm, 內(nèi)徑10～30 nm, 長度50～1000 nm。用化學鍍工藝在碳納米管表面均勻包覆了Ni-P 和Ni-N 合金, 研究了它們的磁性能及其環(huán)氧樹脂基復合材料在2～18 GHz的微波吸收性能。

圖4 鍍Ni-P 合金碳納米管的磁滯回線

圖5 400℃熱處理后鍍Ni-N 合金碳納米管的磁滯回線

與純碳納米管相比, 鍍Ni-P 合金碳納米管復合材料的吸收峰向高頻移動, 鍍Ni-P 和Ni-N 合金碳納米管經(jīng)熱處理后,復合材料的吸收峰向低頻移動。鍍Ni-P 合金碳納米管以及鍍Ni-P 和Ni-N 合金經(jīng)熱處理碳納米管的矯頑力分別為304.34 Oe、81.65 Oe、183.85 Oe。隨著矯頑力的增加, 在2～18 GHz, 復合材料的微波吸收峰向高頻移動。在復合材料中, 碳納米管以及鍍Ni-P 和Ni-N 合金的碳納米管作為偶極子吸收微波。

王力等[9]以自制的多壁碳納米管為原料，利用化學鍍的方法制得鍍鎳碳管。并用X 射線衍射儀、透射電鏡、掃描電鏡及能量色散譜儀對其進行了表征，結(jié)果表明：碳管表面鍍鎳層中x(Ni)達到68.8 %，磁性能分析表明，鍍鎳碳管飽和磁化強度達到13 067 Am2/kg，熱處理后飽和磁化強度達到257 733 Am2/kg。最后，對其表面鍍層進行了熱分析。

圖 6 碳管及鍍鎳碳管的磁滯回線

圖 6(a)給出了碳管鍍鎳前后的磁滯回線，鍍鎳碳管的飽和磁化強度(Ms)為13 067 Am2/kg，相對鍍鎳前增大了4 倍，剩余磁化強度(Mr)為2 238 Am2/kg，相對鍍鎳前也增加兩倍多，相反矯頑力(Hc)卻為鍍鎳前的一半，約為5.920 kA/m，軟磁性增強；圖5(b)是鍍鎳碳管熱處理前后的磁滯回線，400 ℃熱處理后鍍鎳碳管的Ms 為 257 733 Am2/kg，Mr 為36 689 Am2/kg，Hc 為9.44 kA/m。說明熱處理后鍍鎳碳管的飽和磁化強度大大增加。

Jou[10]等研究了CNTs/聚合物復合材料中CNTs的取向、形狀比質(zhì)量分數(shù)和形貌對材料屏蔽性能的影響，表明該材料的SE最大值可能大于62dB。3.結(jié)語

傳統(tǒng)的電磁屏蔽與吸波材料強調(diào)的是強衰減,而新型的材料則大多采用復合技術,突出質(zhì)量輕、頻帶寬和性能好的特點,能滿足于不同環(huán)境和應用場合的需求,因此開發(fā)和研制新一代的多頻、輕質(zhì)、智能型的電磁屏蔽與吸波材料必將成為日后的重點。

碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)和介電性, 使其表現(xiàn)出較強的寬帶微波吸收性能, 同時兼具質(zhì)量輕、導電性可調(diào)、高溫抗氧化性能強和穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點, 是一種有前途的微波吸收劑, 可以作為潛在的隱身材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料, 因此，在以后的電磁屏蔽材料中研究中，碳納米管將會發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻

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第四篇：高溫合金應用領域及需求

高溫合金應用及市場需求

(2013-03-01 23:15:20)轉(zhuǎn)載▼

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1、高溫合金需求概況

高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域，由于其有著優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕等性能，逐漸被應用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業(yè)領域，從而大大的拓展了高溫合金材料的應用領域。隨著高溫合金材料的發(fā)展，新型高溫合金材料的出現(xiàn)，高溫合金的市場需求處于逐步擴大和增長狀態(tài)。

目前，國際市場上每年消費高溫合金材料近30 萬噸，被廣泛應用于各個領域。

我國目前高溫合金材料年生產(chǎn)量約1 萬噸左右，每年需求可達2 萬噸以上，市場容量超過80 億元。（數(shù)據(jù)來源：中國金屬學會高溫材料分會）。

而我國目前的生產(chǎn)能力與需求相比存在兩個缺口：

（1）生產(chǎn)能力不足

目前我國高溫合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量有限，生產(chǎn)能力與需求之間存在較大缺口，在燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。

（2）高端產(chǎn)品難以滿足應用需求

我國的高溫合金生產(chǎn)水平與美國、俄羅斯等國有著較大差距，隨著我國研制更高性能的航空航天發(fā)動機，高溫合金材料在供應上存在無法滿足應用需求的現(xiàn)象。我國高溫合金企業(yè)一方面需要提高研發(fā)能力，另一方面還需要提高裝備水平，使自身具備生產(chǎn)更高性能高溫合金材料的實力。

目前本公司主要面向的市場為航空航天、發(fā)電領域使用的高端和新型高溫合金，該領域市場的高溫合金需求量在3000 余噸，且每年呈15%以上的速度增長。（數(shù)據(jù)來源：中國金屬學會高溫材料分會）。

高端和新型高溫合金需求增加主要來自于兩個方面：

第一，我國發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)研制先進發(fā)動機，將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。

第二，我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發(fā)電設備制造集團在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術等方面近年來有了較大提高，拉動了對發(fā)電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產(chǎn)化研制的新一代發(fā)電裝備－大型地面燃機（也可作艦船動力）取得了顯著進展，實現(xiàn)量產(chǎn)后將帶動對高溫合金的需求。同時，核電設備的國產(chǎn)化，也將拉動對國產(chǎn)高溫合金的需求。

2、航空航天領域的應用

高溫合金從誕生起就用于航空發(fā)動機，在現(xiàn)代航空發(fā)動機中，高溫合金材料的用量占發(fā)動機總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件（圖6－5）。航空航天產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性先導產(chǎn)業(yè)。世界航空航天市場總額已高達數(shù)千億美元，并且正以每年10%左右的速度穩(wěn)步增長。

3、我國發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)拉動高溫合金材料需求

中國航空工業(yè)是在新中國成立以后，經(jīng)過50 多年的建設和發(fā)展，已先后研制生產(chǎn)了8 大系列30 多種機型1400 多架貨運飛機、旅客機和通用飛機，具備了飛機設計、制造、試驗、試飛、適航取證等研制和生產(chǎn)能力。

在過去的幾十年中，我國航空工業(yè)主要經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，1951~1960 年：中國航空工業(yè)完成產(chǎn)業(yè)基礎建設。1961~1980 年：中國航空工業(yè)發(fā)展的黃金20 年。

1981~2000 年：中國航空工業(yè)在曲折中前進。2001~2008 年：中國航空工業(yè)進入全新發(fā)展階段。特別是在2001 到2008 年，這幾年中，不少具有自主創(chuàng)新的產(chǎn)品也在不斷問世。在2004 年，殲10 定型批量生產(chǎn)標志著我國成為全球少數(shù)能夠自主研制第三代先進戰(zhàn)斗機的國家。2006 年3 月，十屆人大通過了“十一五”規(guī)劃綱要，大型飛機研制被列入綱要，并在高技術產(chǎn)業(yè)工程重大專項中占據(jù)顯著位置。2007 年12 月，ARJ21總裝下線標志著我國首個自主研發(fā)支線客機項目取得突破性進展。2008 年3 月，中國商飛有限公司在上海掛牌成立，相關科研和人才培養(yǎng)工作全面啟動。（資料來源：中航集團總經(jīng)理林左鳴：《2009，我國航空工業(yè)的成人禮》）

國內(nèi)目前最主要的航空工業(yè)企業(yè)是中國航空工業(yè)集團公司（根據(jù)國家有關航空工業(yè)體制改革方案，中國航空工業(yè)第一集團公司、中國航空工業(yè)第二集團公司重組整合成中國航空工業(yè)集團公司，并于2008 年11 月8 日正式掛牌），該公司注冊資本640億元，擁有企事業(yè)單位近200 家，擁有上市公司21 家，其中3 家在香港上市。據(jù)統(tǒng)計，中國航空工業(yè)集團公司2008 年實現(xiàn)總收入1,660 億元，同比增長12.31%。中航集團的成立整合了國內(nèi)的航空產(chǎn)業(yè)，明確了航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展戰(zhàn)略。中航集團成立后提出了未來9 年經(jīng)濟規(guī)模將以每年高于20%的速度遞增的目標，到2017 年躍上一萬億元的臺階。（資料來源：中國航空工業(yè)集團公司網(wǎng)站）。

第七屆珠海航展上，中航集團公布了2008-2027 年民用飛機中國市場預測年報。根據(jù)該年報，未來20 年中國航空客運周轉(zhuǎn)量的年均增長率為8.3%，中國民航需要補充各型民用客機3815 架，其中大型噴氣式客機2822 架，支線飛機993 架。預計到2027年，中國的民用客機機隊規(guī)模將達到4250 架，貨機機隊規(guī)模將達到604 架。

目前國內(nèi)生產(chǎn)和發(fā)展的民用機型主要有：

直升機：我國目前主要的直升機總裝企業(yè)是中航集團旗下的哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，主要產(chǎn)品為直9 系列直升機、H425 型直升機、HC120 直升機、EC120直升機等。直9 的國產(chǎn)化程度已經(jīng)超過90%，是我國直升機主流機型。哈飛集團控股的哈飛股份2008 年航空產(chǎn)品銷售收入20.8 億元，其中主要是直9 系列直升機，該產(chǎn)品訂單在“十一五”期間仍將保持穩(wěn)定增長。該公司在直9 基礎上通過技術改造研制成功的H410 和H425 型直升機還擁有可觀的民用和國際市場前景。目前哈飛集團與歐洲直升機公司聯(lián)合開發(fā)的直15 型項目，該機屬于世界上最先進的6 噸級中型機之一，由哈飛集團與歐洲直升機公司聯(lián)合研制生產(chǎn)，目前已獲確認訂單150 架，2008年已交付首架機身，預計2010 年開始量產(chǎn)。中航集團預測，今后20 年內(nèi)，中國將需要3,000 架直升機，而目前全國僅有百余架，市場空間非常大。（資料來源：哈飛股份2008 年年報及相關研究報告）

運輸機：運輸機是專門用來運送貨物和旅客的飛機，民航客機是運輸機的一種。

我國的運輸機主要是Y 系列的運輸機，如Y7（即運-7）、Y8、Y10，Y11 和Y12F。

該系列機型可用于空投、空降、運輸、救生及海上作業(yè)等多種用途。主要由中航集團旗下的陜西飛機工業(yè)（集團）有限公司、哈飛股份等生產(chǎn)。Y12F 飛機是哈飛股份采用先進技術研發(fā)的新一代通用/支線渦槳飛機，能夠乘坐19 名旅客并滿足散裝裝載，可用于海洋監(jiān)測、航拍航測、遙感、物探、空投、空降等長航時通航作業(yè)。該機擁有大容量的機身設計和良好的短距起降性能，采用最先進的綜合航電系統(tǒng)，人機界面好，乘坐舒適，巡航速度快，商載重量比高，滿油與滿載航程長，使用成本低，具有較強的市場競爭力。2008 年第七屆珠海航展上，哈飛股份與中國航空技術進出口總公司就Y12F 飛機收購達成協(xié)議，簽下了20 架共價值8 億元的Y12F 飛機收購框架協(xié)議。Y12F飛機計劃2009 年完成首飛和調(diào)整試飛，2010 年完成試航驗證地面試驗與飛行試驗、取得CAAC 型號合格證，2011 年取得FAA 型號合格證。（資料來源：2008 年第七屆珠海航展有關新聞報道）支線飛機：支線飛機是指座位數(shù)在50 座到110 座左右，飛行距離在600 公里至

1200 公里的小型客機。我國國土幅員遼闊，對于支線飛機的需求量呈逐年上升態(tài)勢。

目前我國國產(chǎn)的支線飛機主要有新舟系列和ARJ21 系列。我國新舟系列主要是新舟60 及其升級換代產(chǎn)品新舟600。新舟600 采用渦輪螺旋槳發(fā)動機，具有成本低廉、燃油消耗少等優(yōu)點。2008 年11 月在第七屆珠海航展，中國民航飛行學院與中航西飛公司簽訂購買2 架新舟600 的購機合同，成為首個用戶。2010-2012 年，新舟600 將達到年產(chǎn)10-15 架生產(chǎn)能力，最終形成30 架的年生產(chǎn)能力。中航集團旗下的西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司是該機型的生產(chǎn)企業(yè)，預計未來10 年新舟600 在全球市場需求量將超過300 架，國內(nèi)超過120-150 架。目前新舟700 的研制工作也已全面啟動。

ARJ21 翔鳳客機是中國商用飛機有限責任公司研制的雙發(fā)動機支線客機，是新一代支線噴氣式客機。ARJ21 翔鳳客機是70～90 座級的中、短航程渦扇發(fā)動機支線客機，擁有基本型、加長型、貨機和公務機等四種容量不同的機型。2008 年11 月28 日首架ARJ21-700 飛機在上海飛機制造廠首次試飛，飛行62 分鐘后降落，取得成功。首飛完成后，隨即進入試飛試驗、適航取證等投入市場前的階段。經(jīng)過相當于18 個月運行期的穩(wěn)定飛行，在相關型號得到審定后，向用戶進行交付。

干線飛機：干線飛機是相對于支線飛機來說的，干線飛機一般是指航行城市與城市之間載客量大、速度快、航程遠的飛機，比如波音737、空客320 等，世界上有能力生產(chǎn)大型干線飛機的有美國、俄羅斯、烏克蘭、歐洲等6 家公司。研制大型飛機及其發(fā)動機是黨中央、國務院在新世紀作出的具有重大戰(zhàn)略意義的決策。在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》和“十一五”規(guī)劃綱要中，國家已經(jīng)把大型飛機列為重大專項工程，而且要求最終配裝具有自主知識產(chǎn)權的大涵道比渦扇發(fā)動機，包括軍民兩用型大型飛機發(fā)動機，這是必須實現(xiàn)的國家戰(zhàn)略目標。2008 年5 月，我國啟動了大飛機項目，由國務院國資委牽頭，與中國航空工業(yè)第一集團公司、中國航空工業(yè)第二集團公司等央企組建了大型飛機公司，注冊資本金為190 億元。據(jù)報道，整個大飛機項目的研發(fā)費用投入大概在600 億元，其中用于大型民用客機的研制費用大概有400億元，用于大型軍用運輸機研制的費用約為200 億元。大飛機的研制屬于高精尖項目，每架需用高溫合金、鈦合金近100 噸，起落架用特種高強度鋼約15 噸。（來自：新華網(wǎng)《上海寶鋼研制“大飛機”用鋼取得進展》一文）

我國自主航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必然帶動國內(nèi)發(fā)動機制造企業(yè)的發(fā)展。目前國內(nèi)發(fā)動機制造企業(yè)主要有西安航空發(fā)動機（集團）有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司、中國貴州航空工業(yè)集團、成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司等公司。2009 年1 月18 日，中航工業(yè)商用飛機發(fā)動機有限責任公司在上海注冊成立，主要為大飛機項目配套研制和生產(chǎn)發(fā)動機。西航集團是我國大型航空發(fā)動機研制生產(chǎn)基地，先后研制生產(chǎn)了渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪起動機、渦輪發(fā)電裝置、渦扇發(fā)動機及大功率燃氣輪機，生產(chǎn)的航空發(fā)動機主要包括“秦嶺”發(fā)動機、“太行”、“昆侖”發(fā)動機。2007 年西航集團航空發(fā)動機（含衍生產(chǎn)品）部分的營業(yè)收入為19.8 億元。（數(shù)據(jù)來源：吉林華潤生化股份有限公司重大資產(chǎn)出售、重大資產(chǎn)購買暨非公開發(fā)行股票報告書第88 頁）。

根據(jù)國家規(guī)劃，航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要圍繞五大工程實施：一是載人航天，二是月球探測，三是高分辨率對地觀測系統(tǒng)，四是“北斗”導航定位系統(tǒng)，五是新一代大型運載火箭。載人航天和月球探測兩項工程的主要目的是帶動我國科技水平的提高和發(fā)展。高分辨率對地觀測系統(tǒng)和“北斗”導航定位系統(tǒng)會更多的服務于經(jīng)濟建設、社會發(fā)展和國家安全。新一代大型運載火箭，主要是提升中國探索空間的能力。從航天發(fā)展的經(jīng)驗來看，重大工程的實施能夠有效拉動航天產(chǎn)業(yè)市場。

我國的“長征”系列火箭以及從“神舟”一號到“神舟”七號，發(fā)動機的核心部分都采用了高溫合金材料。據(jù)統(tǒng)計，從1999 年成立至2007 年，中國航天科技集團長征系列火箭共成功實施50 次發(fā)射任務，發(fā)射了自行研制的43 顆衛(wèi)星、6 艘飛船和1顆月球探測器。在宇航領域，圓滿完成了神舟五號、神舟六號載人航天飛行和嫦娥一號繞月探測飛行任務，并取得商業(yè)衛(wèi)星整星出口零的突破。根據(jù)已制定的《中國航天科技集團公司構(gòu)建航天科技工業(yè)新體系戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型指導意見》，中國航天科技集團公司到2015 年打造七個數(shù)百億規(guī)模的大型科研生產(chǎn)聯(lián)合體，形成十個左右主營業(yè)務收入過百億的公司，并且要實現(xiàn)國際化業(yè)務快速增長，整星出口占國際商業(yè)衛(wèi)星市場10%左右，商業(yè)發(fā)射服務占國際市場15%左右，航天技術應用產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品出口額占其業(yè)務收入的20%左右。（數(shù)據(jù)來源：新華網(wǎng)《中國航天工業(yè)2015 年達國際先進》一文）目前，航天領域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運載發(fā)動機、小型渦噴渦扇發(fā)動機已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進入一個新的增長期。

4、燃氣輪機領域的高溫合金需求狀況

燃氣輪機是高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式（見圖6－9）熱力發(fā)動機，它的結(jié)構(gòu)與飛機噴氣式發(fā)動機一致，也類似蒸汽輪機。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內(nèi)燃機，所以也叫內(nèi)燃氣輪機。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回熱裝置。

燃氣輪機的最大優(yōu)點是不需連桿、曲柄、飛輪等裝置，又不需鍋爐，因此體積小、重量輕，功率大到100000～200000 千瓦，效率高達60%，廣泛用于船舶動力、發(fā)電等。

因燃氣輪機噴射到葉輪上的氣體溫度高達1300℃，因此葉輪需要用高溫合金來制造。

燃氣輪機分為輕型燃氣輪機和重型燃氣輪機，輕型燃氣輪機為航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)型，如LM6000PC 和FT8 燃氣輪機，其優(yōu)勢在于裝機快、體積小、啟動快、簡單循環(huán)效率高，主要用于電力調(diào)峰、船舶動力。重型燃氣輪機為工業(yè)型燃機，如GT26 和PG6561B 等燃氣輪機，其優(yōu)勢為運行可靠、排煙溫度高、聯(lián)合循環(huán)組合效率高，主要用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)。

目前燃氣輪機發(fā)電在世界上已廣為應用，其發(fā)電容量占世界總發(fā)電容量的11%。

由于燃氣輪機具有以上優(yōu)點，在全世界發(fā)達國家，燃機電廠與燃煤電廠總安裝容量為接近1﹕1，并有超過的趨勢。燃氣輪機發(fā)電已是電力結(jié)構(gòu)中的重要部分，在新增發(fā)電容量中更占重要成份。據(jù)報導目前全世界每年新增加的裝機容量中，有1/3 以上系采用燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，而美國則接近1/2。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界現(xiàn)有燒油和燒天然氣的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)的裝機容量已超過4 億kW。近些年來，世界上發(fā)達國家常規(guī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電得到快速發(fā)展；每年新增的聯(lián)合循環(huán)機組總裝機容量約占火電總新增容量的40%～50%。當今世界上單臺燃機最大功率已達250MW，聯(lián)合循環(huán)總功率達350MW?，F(xiàn)在燃氣輪機正向著大功率、高燃燒溫度發(fā)展。燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)已經(jīng)成為世界上火電建設的重要組成部分。燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電已成為世界潮流。

從國際發(fā)展的趨勢來看，為了提高熱效率和增加機動性，需要發(fā)展大功率的（大于100MW）工業(yè)燃氣輪機組，這對材料提出了更高的要求。以渦輪葉片為例，因采用劣質(zhì)燃料，加上地面工況條件差，特別是在高溫下（＞1300℃）、連續(xù)工作時間很長（以萬小時計），更需要耐熱腐蝕、抗沖刷的高溫合金和耐熱涂層。目前我國每年花費在進口渦輪葉片備件上就達上億美元。國內(nèi)燃氣輪機發(fā)展前景為高溫合金的使用提供了巨大的空間，而且每年的備件供應將是非常穩(wěn)定的需求，初步估計市場空間在10 億元以上。

我國實現(xiàn)“西氣東輸”和從國外引進液化天然氣和管道天然氣之后，全國將普及天然氣的供應，國家有關部門積極發(fā)展燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)，小型燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)，使我國具備了發(fā)展燃氣輪機的條件。今后幾年我國將進入燃氣輪機裝機的高峰期，未來10 年我國燃氣輪機的裝機總量將達到30000MW 以上。我國重型燃氣輪機制造業(yè)始于五十年代末。主要廠商為上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司、東方汽輪機股份有限公司和南京汽輪電機（集團）有限責任公司等。

（資料來源：南京汽輪電機（集團）有限責任公司薛福培撰寫的《我國工業(yè)燃氣輪機的現(xiàn)狀與前景》）

本公司目前正在參與國產(chǎn)大型地面燃機用高溫合金渦輪盤和葉片的研發(fā)和產(chǎn)品試制，將有望成為公司新的業(yè)務增長點。

5、汽車廢氣增壓器渦輪

汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應用領域。廢氣增壓器渦輪生產(chǎn)在國外已有60 多年的歷史。目前，國外的重型柴油機增壓器配置率100%，中小型柴油機也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達80%左右。廢氣渦輪增壓器具有減少有害排放、降低噪聲污染、提高機械效率、提升功率等優(yōu)點。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個轉(zhuǎn)子。

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會2009 年2 月4 日發(fā)布的統(tǒng)計顯示，2008 年，汽車累計產(chǎn)銷934.51 萬輛和938.05 萬輛，同比增長5.21%和6.70%，汽車銷量比2003 年的439 萬輛翻了一番。由此推算，2008 年中國汽車工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對高溫母合金的需求就在1,900 噸以上。此外內(nèi)燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。

目前汽車增壓器渦輪尚不屬于本公司主導產(chǎn)品，擬下一步通過實施鈦鋁金屬材料制品項目，生產(chǎn)新一代更高性能的增壓器渦輪。

6、原子能工業(yè)市場

原子能工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格

架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。我國要陸續(xù)建成10 座60 萬千瓦的核電站。每座60 萬千瓦的核電站需用蒸發(fā)器“U”形傳熱管100 噸。此外，還有大量的堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60 萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級用管600 多噸。

根據(jù)2006 年3 月國務院通過《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005－2020 年）》，我國到2020 年，核電運行裝機容量爭取達到4000 萬千瓦；核電年發(fā)電量達到2600～2800億千瓦時。在目前在建和運行核電容量1696.8 萬千瓦的基礎上，新投產(chǎn)核電裝機容量約2300 萬千瓦。同時，考慮核電的后續(xù)發(fā)展，2020 年末在建核電容量應保持1800萬千瓦左右。

目前核電站蒸發(fā)器“U”形管仍完全依靠進口。我國的東方電氣目前在核電裝備

制造領域處于國內(nèi)領先地位，廣東嶺澳核電站一期制造了兩套100 萬千瓦等級核電機組，獲得了嶺澳二期2×100 萬千瓦核電站核島回路包和常規(guī)島機電包訂單。國產(chǎn)核電裝備的應用，也將帶動核電裝備零部件供應市場。根據(jù)我國核電站建設規(guī)劃，我國近十年內(nèi)原子能工業(yè)方面需要高溫合金材料總共約6000 噸，價值約24 億元。

核電用高溫合金目前不屬于本公司主要市場，但隨著核電發(fā)電設備逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，將帶動對國產(chǎn)高溫合金的需求。核電用高溫合金市場將是公司未來著力進入的目標市場。

7、其它領域的高溫合金需求

高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應用的高溫合金零件多達十幾種，如：生產(chǎn)玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產(chǎn)用的轉(zhuǎn)向輥拉管機大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導板和高溫爐熱電偶保護套管等。醫(yī)療器械領域的人工關節(jié)等。

通過以上分析，高溫合金有著一個龐大的國內(nèi)外市場。隨著中國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高溫合金的市場將穩(wěn)定的增長。

（四）行業(yè)進入壁壘

1、技術壁壘

高溫合金材料領域是有很高技術含量的領域，目前能夠進入該領域的企業(yè)數(shù)量有限。特別是對于航空航天用高溫合金材料及制品領域，對于質(zhì)量可靠性、性能穩(wěn)定性、產(chǎn)品外觀尺寸精確性等方面都有著非?？量痰囊蟆Ｈ绻麤]有一定的技術儲備和研發(fā)實力，一般企業(yè)很難進入高溫合金生產(chǎn)領域。

2、市場先入壁壘

高溫合金材料應用于航空航天等高溫、高壓或耐腐蝕等極端惡劣條件下，產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和質(zhì)量可靠性是用戶最先考慮的因素。用戶對于產(chǎn)品的試用有著嚴格的程序，一旦選定供應商后，就不會輕易更換。

3、質(zhì)量標準壁壘

高溫合金的加工工藝復雜，用其制造的零件使用工況惡劣，在應用的安全可靠性方面又有其特殊要求，所以必須嚴格控制高溫合金材料及其產(chǎn)品的工藝規(guī)程和建立與健全質(zhì)量保障體系，嚴格控制材料冶金質(zhì)量和零件的制造質(zhì)量，進行完整的無損探傷和腐蝕檢驗等。所以進入該行業(yè)的企業(yè)需要有一套完整的質(zhì)量控制體系和檢測體系，才能夠滿足用戶的質(zhì)量要求。

第五篇：高溫合金材料研究進展

材料科學與工程前沿課程報告

第二部分：高溫合金專題學習報告

學院：材料科學與工程學院 專業(yè)：材料科學與工程 姓名：XXXXX 學號：XXXXX 班級：XXXXX

2012年11月19日

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高溫合金材料研究進展

摘要：本文主要是根據(jù)這學期在材料科學與工程前沿課上聽了董建新教授講關于高溫合金相關的知識，然后通過調(diào)研，對國內(nèi)外高溫合金的研究發(fā)展現(xiàn)狀有了一定的認識，本文主要介紹目前高溫合金材料的研究進展和我校在相關方面的研究成果，并提出自己的見解，我國高溫合金方面雖然有了很大的進步，但是和國際上的高溫合金的研究還有差距，建立在仿制國外高溫合金材料的基礎上的創(chuàng)新并不是真正的創(chuàng)新，真正想要達到并超越國際水平，我們還有很長的路要走。關鍵詞：高溫合金董建新研究進展

引言

高溫合金是制造現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天火箭發(fā)動機和各種工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的重要金屬材料。目前在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例高達50%以上。顯然，沒有高溫合金就不可能有高速、高效率、安全可靠的現(xiàn)代航空和航天事業(yè)，同時，高溫合金在核工程、能源動力、交通運輸、石油化工、冶金等領域也有廣闊的用途[1]。高溫合金是在550℃以上溫度條件下能承受一定應力并具有抗氧化和抗熱腐蝕能力的材料。我國的高溫合金以合金成形方式、合金基體元素、合金強化方式的順序，構(gòu)成我國高溫合金系列和體系，其中合金成形方式有變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金）、焊接用高溫合金絲、粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金和金屬間化合物高溫材料之分。在這些不同合金系列之下，再分為鐵基、鎳基、鈷基及鉻基合金。

董建新教授從高溫合金在航空航天等高科技產(chǎn)品上面的應用開始說起，介紹了高溫合金材料的研究現(xiàn)狀、制備和加工方面，還有高溫合金的元素組成、強韌化和工藝強化等知識，讓我們對目前的高溫合金材料的研究現(xiàn)狀有了初步的認識。經(jīng)過50多年的研究，我國在高溫材料領域已經(jīng)取得了一系列的進步，但是，還是與國外如美國等還存在著相當大的一段距離，例如我國生產(chǎn)的渦輪盤質(zhì)量就不及美國，一些關鍵的技術都處于被國外封鎖的階段，一些關鍵的零部件我們不能研發(fā)，只能靠進口。這在很大程度上制約了我國航空、汽車制造業(yè)的發(fā)展。所以，研究高溫材料的科研人員還是有很大的用武之地的。目前各國紛紛提出航天發(fā)展計劃，競爭將愈加激烈。我們國家必須重點發(fā)展高溫合金在高科技航空航天領域

第2頁 的研發(fā)，才能在未來的空間競爭中占得一席之地。

一、國際上高溫合金的研究現(xiàn)狀

從20世紀30年代后期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金。1937年德國渦輪噴氣發(fā)動機Hcinkel問世，1939年英國研制出Whittle渦輪噴氣發(fā)動機。同年，英國Mond公司首先研制成一種低碳含鈦的鎳基合金Nimonic75，不久又有含鋁和鈦合金元素的Nimonic80合金問世。這種合金與Nimonic75相比，蠕變性能在應力和持續(xù)時間相同的條件下，蠕變溫度可以提高50℃[2]。

第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型航空發(fā)動機的需要，高溫合金的研究和使用進入了蓬勃發(fā)展時期。40年代初，英國首先在80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦，形成γ’相以進行強化，研制成第一種具有較高的高溫強度的鎳基合金。同一時期，美國為了適應活塞式航空發(fā)動機用渦輪增壓器發(fā)展的需要，開始用Vitallium鈷基合金制作葉片。1941年后美國開始發(fā)展航空燃氣渦輪，1942年將HastclloyB鎳基合金先后用于GE（通用電器）公司的兩種噴氣發(fā)動機中，1944年開發(fā)出鈷基合金HS23用于西屋公司發(fā)動機中的精密鑄造葉片。1950年后由于鈷資源缺乏美國發(fā)展鎳基合金，并廣泛用于制作渦輪葉片。在此期間，美國的PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出Waspalloy、M-252和Udinet500等合金。

50年代出現(xiàn)A-286和Incoloy901等牌號，但因高溫穩(wěn)定性較差，從60年代以來發(fā)展較慢。60年代以后，陶瓷過濾、等溫鑄造、定向凝固、粉末冶金、機械合金化等新工藝的成功應用，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展，其中尤以采用定向凝固工藝制造出單晶高溫合金葉片，于70年代初步獲得成功應用，使航空發(fā)動機的性能大幅度提高。

在前蘇聯(lián)，高溫合金稱為耐熱合金，20世紀40年代中期至50年代在耐熱鋼的基礎上開發(fā)出鐵-鎳基、鎳基、鈷基耐熱合金，前蘇聯(lián)鎳基耐熱合金成分特點是添加較多的鎢和鉬元素，添加一定量的鐵元素，經(jīng)常加人少量的釩元素，而美國合金常用鉬元素，少用鎢元素。蘇聯(lián)于1950年前后開始生產(chǎn)“ЭИ”牌號的鎳基高溫合金，后來生產(chǎn)“ЭП”系列變形高溫合金和ЖС系列鑄造高溫合金。

二、我國高溫合金體系及其發(fā)展

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的第3頁 研究生產(chǎn)和應用已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷程?；仡?0多年的歷史，我國的高溫合金從無到有，從仿制到自主創(chuàng)新，合金的耐溫性能從低到高，先進工藝得到了應用，新型材料得以開發(fā)，生產(chǎn)工藝不斷改進且產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，并建立和完善了我國的高溫合金體系，使我國航空航天工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展所需的高溫合金材料立足于國內(nèi)，也為其它工業(yè)部門的發(fā)展提供了需要的高溫材料（圖1[3]）。

圖1世界高溫合金(渦輪葉片、盤片)的發(fā)展趨勢和我國主要合金的研制

根據(jù)2002年出版的《中國航空材料手冊》，我國可供航空選用的高溫合金牌號89個，目前正在編撰的《中國高溫合金手冊》中共列入牌號194個，其中：鐵基變形合金30個，鎳基變形合金43個，鈷基變形合金6個，等軸鑄造鎳基合金62個，定向凝固鎳基合金15個，單晶鎳基合金9個，金屬間化合物基合金20個，粉末高溫合金3個，ODS合金5個，以及焊絲等，可供航空航天及其它工業(yè)部門選用。形成高溫合金體系的，全世界沒有幾個，中國是其中之一，其余為美、英、俄，說明我們國家的高溫合金材料研究已經(jīng)形成了規(guī)模。

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三、北京科技大學在高溫合金方面所取得的成果

在發(fā)展尖端技術的推動下，冶金部于1958年從工廠抽調(diào)一批有才能的科技人員充實鋼鐵及有色兩院，高溫合金為北京鋼鐵研究總院研究與開發(fā)的重點領域，繼而上海鋼研所、航天部703所以及幾所大學、如北京鋼鐵學院（現(xiàn)北京科技大學）等都加人了高溫合金的研究與開發(fā)行列，值得指出的是，60年代初在鋼鐵學院和東北工學院還設立了高溫合金專業(yè)，一直延續(xù)了十余年，為高溫合金的發(fā)展培養(yǎng)了一批專門人才，在高溫合金的發(fā)展過程中，促進了我國微量元素分析和相分析技術，高溫物性與力學性能測試技術，不但保證了高溫合金的生產(chǎn)，也使我國高溫合金的研究達到較高水平[4]。

單從北京科技大學的角度看，發(fā)展至今，在高溫合金領域依然有很強的競爭力，從1961年起，我院高溫合金梯隊謝錫善教授一直從事耐熱鋼及變形高溫合金的工作以及高溫材料強韌化和斷裂導致失效的分析和改進研究。歷年來主持并進行了：鐵基高溫合金研究、微量元素在高溫合金中的作用、高溫合金力學冶金高溫合金強韌化、煙氣輪機用高溫合金大渦輪盤研制、新機種用GHl69合金及粉末高溫合金渦輪盤的研究，改善大型鍛件（渦輪盤）熱加工工藝提高綜合性能研究、高溫合金表面合金化高溫臺金強韌化機理以及高溫部件長期運行中的組織穩(wěn)定性及壽命估算研究等。還主持和參與了多項國家、部委重點，國家自然科學基金，“863”高科技課題，和美、法、日、印度、巴西以及韓國等國際合作課題[5]。

我院葛昌純院士也一直活躍在高溫合金材料的制備與研究上，不斷探索新的工藝進行研究，提出了火花等離子體放電（SPD）制備高溫合金細粉新技術，并設計了樣機，該方法與常用的高溫合金制粉方法-等離子旋轉(zhuǎn)電極法和氬氣霧化法的原理不同，與之相比，該方法冷速更快，可制備粒度更細小的粉末，且設備簡單，該方法制備的粉末粒度分布窄、球形度高、粉末顆粒表面光滑、看不到枝晶、顆粒內(nèi)部是球狀晶凝固組織，從而組織更均勻[6]。還有劉國權教授等也一直在粉末高溫合金領域進行著探索。中國粉末高溫合金的研究始于1977年，目前已研制了以FGH95合金為代表的使用溫度為650℃的第一代高強型和以FGH96合金為代表的使用溫度為750℃的第二代損傷容限型粉末高溫合金。但從總體上講，與國外之間還是有較大的差距。而劉國權教授梯隊在粉末高溫合金領域也取

第5頁 得了一系列的成果。

四、總結(jié)與展望

多年來，我國高溫合金取得了輝煌的成績，但是也仍然存在著一些問題，創(chuàng)新是我們國家科技發(fā)展的靈魂，我國的高溫合金必須突破引進加仿制到創(chuàng)新的體制，充分發(fā)揮我們自主的創(chuàng)新性，大力深化科技體制改革，把國內(nèi)搞高溫合金的力量集中起來，共同應對未來空間開發(fā)用的高溫合金及民用高溫合金，使我國高溫合金體系建立在一個更堅實的基礎上。

參考文獻：

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