超高温合金

图1-1 神舟七号飞船推进器
图1-2 航空发动机
发展趋势
目前我国的超高温合金研究水平与国外接近，但 是与发达国家相比无论在生产规模上，还是在发展 速度上仍存在较大差距。发展趋势：
1.精简超高温合金的牌号，发展骨干超高温合金； 2.合金设计的专家设计系统，指导新合金设计； 3.强化低成本超高温合金及其制备技术； 4.改善工艺，改善性能，扩大超高温合金的应用； 5.开发超高温合金的先进制备技术和新产品[10]
➢9 武兴君，郭喜平.Nb基超高温合金制备及 定向凝固用坩埚的选择，材料导论-2006年5期
➢10 MITRA R. Microst ructure and mechanical behavior of reactionhot-pressed titanium silicide and titanium silicide-based alloys andcomposites [ J ] . Metallurgical and Materials Transactions A ,1998 , 29A(6) : 1629 - 1641.
超高温合金种类
通常按生产工艺分为
变形超高温合金、粉末冶金超高温合金和铸造 超高温合金，而铸造超高温合金又经历了定向 凝固超级合金、定向结晶合金、单晶合金、共 晶合金和弥散强化超级合金等。
为使材料承受较高温度和具有较高强 度，合金中往往加入数种甚至十几种 合金元素，这些元素包括Ai、Ti、Co、 Mo、W、Nb、Ta、Hf、Re、V、Mn、 Si、C、B、Zr、稀土等，用于强化基 体相和析出相。加入的固溶强化的难 熔金属和铝、钛总量越多，使合金变 性更加困难。
为了获得更好的定向组织，一些人自行设计 了超高温度梯度定向凝固设备，并拟在该设 备上采用有坩埚的整体定向凝固技术 以制备 超高温合金的定向凝固样件，为将来制备也 平等具有复杂形状的部件进行前期准备和工 艺探索[9]。
应用前景
目前Nb-Si基合金的基础研究工作还应该在强韧和 抗氧化综合性能平衡上获得突破。由于含有大量金属 间化合物Nb5Si3和Cr2Nb相的Nb-Si基合金对缺陷十 分敏感，显微缺陷对合金材料综合性能特别是塑韧性 的影响在一定程度上已超过了优化合金成分与组织的 作用。因此Nb-Si基合金的制备加工工艺还应该获得 极大的发展，以减少微观组织缺陷并获得均匀组织。 以上是Nb-Si基合金下一步要重点发展的方向。超高 温合金由于具有很高的抗热疲劳、机械疲劳、抗氧化 及抗蠕变等性能，将越来越多的应用于工业生产及生 活中，特别是航天航海。如下图：
超高温合金
一、概述 二、研究内容 三、制备方法 四、发展趋势 五、参考文献 六、思考题
概述
超Байду номын сангаас温合金涵义：
超高温合金一般是指在1000℃以上使用具有 高强度、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、抗蠕变、和密 度适中等性能的金属材料。
超高温合金发展历程：
20世纪30年代镍基高温合金开始发展起来，从 20世纪50年代，高温合金的发展就侧重于镍基高温 合金，我国从20世纪60 年代开始研制镍基高温合金， 经过四十多年的努力，国内研制成功的镍基高温合 金已有70 多种。但是随着工业建设和科学技术的飞 速发展，对高温合金提出了更高要求：更高的耐高 温性，目前应用的镍基单晶高温合金由于受其自身 熔点(1400℃左右)的限制，连续使用温度上限仅为 1100℃。，迫切需要在1093-1370℃范围内使用的 金属材料[1]。从而近几年来引出了一个新的概念： 超高温材料，其中超高温合金就是主要的研究方向。
一种是合金化， 另一种是表面涂层技术。 由于可提高抗氧化性能的合金化元素在其含 量过高后会降低合金的力学性能， 因此合 金化有其局限性。表面涂层技术被认为是兼 顾铌硅化物基超高温合金力学性能和高温抗 氧化性能的切实有效途径， 因而受到越来 越多的关注。
国内外已有的研究表明[5]： 在合金表面制备 含有稀土或其氧化物的涂层， 可以改善涂 层的致密性及其与基体的结合力， 显著降 低合金的氧化速率， 提高氧化膜的抗剥落 能力， 从而改善合金的抗高温氧化性能。 铌基合金高温防护涂层的研究始于2O世纪 5O年代，到目前为止开发出涂层的概率寿 命是：在11OO～1200℃下为几百小时，在 1500～1600V下为几十分钟。
制备方法
Nb-Si基合金的制备主要有非自耗电弧熔 炼、感应电渣熔炼(ISM)、定向凝固(DS)、熔 模铸造及粉末冶金等方法，每一种制备工艺 均产生与其对应的特殊形态的微观组织 和性能。
从商业角度来看，熔模铸造Nb-Si基合金近净 成形部件具有巨大的潜力，因为这接近于目前 的复杂叶片生产实践。然而，用于Nb-Si基合 金叶片的熔模铸造技术还没有得到充分发展。 另外，熔融Nb-Si基合金的活性限制了陶瓷基 模壳系统的应用[9]
展望
虽然拥有丰富的资源，由于我国航空制造业不发 达，民用飞机大量进口。美、俄、西欧等工业大国 主要以航空市场为主，他们掌握着先进的尖端技术， 占据着国际市场。从目前形势看，超高温合金发展 有几个特点值得注意。
超高温合金企业竞争与兼并激烈，日趋国际化 随 着东西方贸易往来增多，东西方市场融合，正在形 成统一的世界市场，从而加剧了企业的竞争。企业 为增强竞争实力，实行强求“强强”联合，出现了 跨国改组与兼并，通过跨国改组与兼并的种种措施 来增强自身的实力。
从目前的研究来看，铌基合金高温防护 涂层主要分为以下5个体系：耐热合金涂 层、贵金属涂层、陶瓷涂层、铝化物涂 层及硅化物涂层[1]。
应用
该材料还可用于火箭推进器、大推力发 动机的燃烧室及其防护罩等，在航空航天以 及核工业等领域作为耐高温部件的替代材料 具有潜在的应用价值，它可作为新一代发动 机叶片的替代材料，使用温度将达到1250 –
民航机用量迅速增长，超高温合 金的市场好。 发展竞争力更强的超高温合金 发 展方向是高性能化、多功能化、和低成 本化。 积极培育新的超高温合金市场[10]。
参考文献
➢ 1 姜传海，周健威，叶长青．铌及铌合金的氧化行为．机 械工程材料，2003，27(12)：1
➢ 2 赵陆翔，郭喜平，姜嫄嫄.铌基合金包埋渗法制备抗氧化 硅化物涂层及其组织形成中国有色金属学报-2007年4期
应用与航空发动机核工业燃气轮涡轮叶片、导 向叶片、涡轮盘和机匣、燃烧室、加力燃烧时 及尾喷口等部件[3]。
人们对能源、宇航、钢铁和化工等领域可在 超高温环境下长时间使用的机械部件用结构 材料的开发寄予很大希望。特别从环境保护 和化石能源保护、减少二次CO₂产生和污染 环境物质排放的观点看，追求火电热效率的 提高、进一步提高燃气轮机的工作温度成为 迫切的研究课题。但用于燃气轮机部件的Ni 基超合金的耐热温度已基本达到极限，因此， 研制耐热性和长期可靠性及持久性超过Ni基 超合金的新型耐热材料很有必要。
➢ 3 郑子樵.新材料概论.2009.5 ➢ 4 张小明．日本Nb基超合金和复合材料研究新进展.稀有
金属快报-2005 2期 ➢ 5 齐涛，郭喜平. 铌硅化物基合金Si．Y2o3共渗涂层的组
织形成中国有色金属学报-2009年10期
➢6 郭金明,郭喜平,宋曙光. Nb-Ti-Si 基多元合金在 1250 ℃下的氧化行为[J ] . 金属学报- 2008 , 44 (5) : 574 - 578. ➢7 XIANGZD , DATTAPK. Deposition of silicon modified alumin-ide coatings on nickel base superalloys by pack cementationprocess[J ] . Materials Science and Technology , 2003 , 19 (7) : 935- 942.
➢8 XIANGZD,ROSESR,BURNELL-GRAYJS， et al . Co-depo-sition of aluminide and silicide coatings onγ-TiAl by pack cementation process[J ] . Journal of Materials Science , 2003 , 38 (1) : 19- 28.
1400℃。
温合Ti-Nb-Si 基超高金
铌硅化物基及钛硅化物基合金以其高熔点、高强度 以及适中的密度等特性而有望成为应用于高温结构部 件的材料。然而,Nb-Ti-Si 基合金的抗氧性较差,成为 制约其应用的瓶颈。仅通过合金化的方法还不能彻底 解决该类合金的抗氧化性问题,因为多元合金化后的 Nb-Ti-Si 基超高温合金在氧化后大都生成非保护性的 氧化物如TiO2 , TiNb2O7 和Ti2Nb10O29[6]，制备抗氧化 涂层是克服Nb-Ti-Si 基合金抗氧化差的有效办法。包 埋渗法作为一种扩散涂层的制备方法,已被成功应用于 镍基高温合金[7]及钛合金[8]等材料抗氧化涂层的制备。 为Nb-Ti-Si 基合金制备抗氧化涂层还在试验阶段。
由于定向凝固可获得综合性能较好的组织，具 有近终成形及效率高等特点，是制备Nb-Si基合 金材料的首选方法。以前的研究主要是采用水 冷铜坩埚的Czochralski法来实现定向凝固，但 由于温度梯度较低，所制备材料的组织粗大， 定向效果差。近年来本课题组对该材料的无坩 埚电子束区熔定向凝固进行了研究，但由于熔 体的过热度低(据估计不会超过100℃)，定向效 果也不是很好。
Nb-Si基超高温合金
日本于1996～2001年进行了高熔点Nb基固溶体合 金和复合材料的研究，旨在研制进气温度达1500℃以 上，无冷却使用的燃气轮机叶片材料，以提高燃气轮 机的热效率。金属中Nb以高熔点、密度小、室温塑性 好被作为新的研究对象。由于难熔金属硅化物，特别 是铌一硅化合物基合金，在航空航天以及核工业等领 域作为耐高温部件的替代材料具有潜在的应用价值， 因此近年来受到广泛的关注[4]。它可作为新一代发动 机叶片的替代材料，使用温度将达到1250 -1400℃， 比目前最先进的第四代镍基单晶高温合金的使用温度 高出200℃左右[2]。
粉末冶金超高温合金，由于采用快速凝固雾 化法先制成高温合金粉末，再制成块体材料 因此可生产高合金化，成分和组织均匀的新 型高温合金。但由于涡轮盘之类的大型部 件，需要大型锻压设备，故多采用铸造超高 温合金，因为铸造超高温合金基本上可不需 要变形加工。
超高温合金特点
（1）有良好的室温和高温力学性能； （2）还有熔点高、密度适中； （3）耐腐蚀、良好的高温强度； （4）有良好的抗疲劳性； （5）但其高温抗氧化能力较差[2]。
研究内容
超高温合金是合金研究的一个重要方面，一般目 前广泛应用于航空航天以及核工业等领域作为耐高温部 件的一种替代材料，具有潜在的应用价值。铸造超高温 合金可分为镍基、Nb-Si硅化物基超高温合金、Ti-Nb-Si 基超高温合金、钛基超高温合金等等。
Ni基超高温合金
铸造镍基超高温合金再提高强度的同时塑性下降，蠕 变断裂前延伸率低。这主要是由于蠕变裂纹沿晶界开 始，基本是垂直于应力轴方向。定向凝固使合金获得 结晶方向平与零件的应力轴的柱状晶，基本消除了垂 直于应力轴的横向晶界，有利于提高蠕变寿命和塑性， 改善零件的抗热冲击性能。定型铸造镍基超高温合金 不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性，而且 具有比原合金约高5倍的热疲劳性能，在先进航空发 动机上获得广泛应用，其工作温度比普通镍基高温合 金提高了50℃,随着高温合金的不断发展，合金的持久 性能和抗环境性能有明显增强，应有前景更加美好。
众所周知,作为高温下使用的结构材料,除具有 良好的室温和高温力学性能以外,还必须具备良 好的抗氧化性能。然而,Nb-Si系超高温结构材料 氧化过程中生成的氧化膜不致密,存在严重的内 氧化现象,氧化膜易剥落,抗氧化性能差。对于未 来的工程应用,高温抗氧化性能仍然是Nb-Si系超 高温结构材料走向实用化的一大障碍。为了使 其在高温条件下应用， 必须改善其高温抗氧化 性能。到目前为止， 人们研究过的能有效提高 铌硅化物基超高温合金抗氧化性能的 途径有两种：