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2、國內(nèi)發(fā)展
自1956年爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個階段。
個階段：從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二個階段：從20世紀70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號的發(fā)動機，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。
第三階段：從20世紀90年代中至今，是我國高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、次的新合金。
目前，我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機械集團萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。
雖然高溫金屬合金材料在我國已發(fā)展近60年，但行業(yè)發(fā)展仍處于成長期。由于高溫金屬合金材料領(lǐng)域具有較高技術(shù)含量，該行業(yè)企業(yè)擁有較深護城河。我國高溫金屬合金每年需求量在2萬噸以上，國內(nèi)年生產(chǎn)量在1萬噸左右，市場容量超過80億元，其中進口占比較大。未來20年我國各類軍機采購需求在2800架左右，民用飛機采購數(shù)量在5400架左右，對應(yīng)的高溫合金需求在1500億以上，再加上500億的燃氣輪機需求，僅高溫合金空間一項就有2000億的市場空間即將打開。
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(lǐng)域的高溫合金主要還依賴進口。（2）高端產(chǎn)品難以滿足應(yīng)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(yīng)上存在無法滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)象 [1] 。
自1956年爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個階段。
個階段：從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二個階段：從20世紀70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號的發(fā)動機，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。
第三階段：從20世紀90年代中至今，是我國高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、次的新合金。
目前，我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機械集團萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。
雖然高溫金屬合金材料在我國已發(fā)展近60年，但行業(yè)發(fā)展仍處于成長期。由于高溫金屬合金材料領(lǐng)域具有較高技術(shù)含量，該行業(yè)企業(yè)擁有較深護城河。我國高溫金屬合金每年需求量在2萬噸以上，國內(nèi)年生產(chǎn)量在1萬噸左右，市場容量超過80億元，其中進口占比較大。未來20年我國各類軍機采購需求在2800架左右，民用飛機采購數(shù)量在5400架左右，對應(yīng)的高溫合金需求在1500億以上，再加上500億的燃氣輪機需求，僅高溫合金空間一項就有2000億的市場空間即將打開。
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(lǐng)域的高溫合金主要還依賴進口。（2）高端產(chǎn)品難以滿足應(yīng)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(yīng)上存在無法滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)象 [1] 。
1、航空航天領(lǐng)域
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。
航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量、難度的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦 四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領(lǐng)域
高溫合金在能源領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。煤電用高參數(shù)超超臨界發(fā)電鍋爐中，過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好，在蒸汽側(cè)抗氧化性能和在煙氣側(cè)抗腐蝕性能優(yōu)異的高溫合金管材；在氣電用燃氣輪機中，渦輪葉片和導(dǎo)向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金；在核電領(lǐng)域中，蒸汽發(fā)生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金；在煤的氣化和節(jié)能減排領(lǐng)域，廣泛采用抗高溫?zé)岣g和抗高溫磨蝕性能優(yōu)異的高溫合金；在石油和天然氣開采，特別是深井開采中，鉆具處于4-150 ℃的酸性環(huán)境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5] 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發(fā)電設(shè)備制造集團在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高，拉動了對發(fā)電設(shè)備用的渦 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(shè)備的國產(chǎn)化，也將拉動對國產(chǎn)高溫合金的需求。
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。
航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量、難度的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦 四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
2、能源領(lǐng)域
高溫合金在能源領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。煤電用高參數(shù)超超臨界發(fā)電鍋爐中，過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好，在蒸汽側(cè)抗氧化性能和在煙氣側(cè)抗腐蝕性能優(yōu)異的高溫合金管材；在氣電用燃氣輪機中，渦輪葉片和導(dǎo)向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金；在核電領(lǐng)域中，蒸汽發(fā)生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金；在煤的氣化和節(jié)能減排領(lǐng)域，廣泛采用抗高溫?zé)岣g和抗高溫磨蝕性能優(yōu)異的高溫合金；在石油和天然氣開采，特別是深井開采中，鉆具處于4-150 ℃的酸性環(huán)境中，加之CO2，H2S和泥沙等的存在，必須采用耐蝕耐磨高溫合金 [5] 。
我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發(fā)電設(shè)備制造集團在生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)等方面近年來有了較大提高，拉動了對發(fā)電設(shè)備用的渦 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(shè)備的國產(chǎn)化，也將拉動對國產(chǎn)高溫合金的需求。
1、含錸單晶葉片的研究
在單晶的成分設(shè)計中，要兼顧合金性能和工藝性能，由于單晶中不存在晶界，并應(yīng)用在較為苛刻的環(huán)境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。隨著單晶合金的發(fā)展，合金的化學(xué)成分具有如下變化趨勢：引入Re元素，引入Ru、Ir等鉑族元素，增加難熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；難熔元素的加入總量增加，C、B、Hf等元素從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量使用”；降低Cr含量從而允許加入更多其他的合金化元素而保持組織穩(wěn)定。
含錸單晶葉片大幅了其耐溫能力及蠕變強度。以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE公司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了鈷和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持久強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。
含錸單晶葉片是未來航空發(fā)動機渦輪葉片的趨勢。單晶葉片由于其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，從而很快得到了航空燃氣渦輪發(fā)動機界的普遍認可，幾乎所有先進航空發(fā)動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片 [6] 。
沉淀硬化鋼常用牌號：
17-4PH/0Cr17Ni4Cu4Nb/05Cr17Ni4Cu4Nb/AISI630,UNS S17400/SUS630/X5CrNiCuNb16-4/PH15-7Mo/（UNS S15700、SUS 632）0Cr15Ni7Mo2Al/ AM-350(UNS S35000/SUS 633)0Cr16Ni4Mo3N/17-7PH(SUS 631) 07Cr17Ni7Al/UNS S17700/AISI 631/ PH13-8Mo/0Cr13Ni8Mo2Al（UNS S13800、XM13/04Cr13Ni8Mo2Al/15-5PH（UNS S15500、XM12）1.4545/XM-12/05Cr15Ni5Cu4Nb/0Cr15Ni5Cu4Nb/Custom-455/00Cr12Ni8Cu2TiNb /AM-355(634型) AM350/0Cr16Ni4Mo3N
根據(jù)鋼的組織可分為3類：(1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼，以中國0Cr17Ni7TiAl和0Cr17Ni4Cu4Nb為代表。(2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，以0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al為代表。(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼，它實際上為鐵基高溫合金，以0Cr15Ni20Ti2MoVB、1Cr17Ni10P為代表。
設(shè)計要點 (1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼。鋼中碳含量一般≤0.1％，但≥0.05％，目的是既有好的焊接性、耐蝕性，又具有較好的強韌性；鉻含量一般在16％～17％以保證足夠的不銹性和耐蝕性；合適的鎳、鉻當(dāng)量，以便鋼中δ-鐵素體的含量處于水平(一般≤5％)，以免損害橫向性能和降低鋼的強度。各種合金元素的鐵素體形成效果如下：
0.1％N 0.1％C 1％Ni 1％Co 1％Cu
-20 -18 -10 -6 -3
1％Mn 1％w 1％Si 1％Mo 1％Cr
-1 ＋8 ＋8 ＋11 ＋15
1％V 1％Al
＋19 ＋38
元素的配比應(yīng)使馬氏體相變開始溫度(Ms點)在150℃以上馬氏體相變基本完成溫度，(Mf點)在50℃以上，下述經(jīng)驗公式可作計算Ms點時的參考：
Ms={75(14.6-％Cr)＋110(8.9-％Ni)＋3000
[0.068-％(C＋N)]＋60(1.33＋％Mn＋50
(0.17-％Si)}，℃
添加適量沉淀硬化元素如銅和鈦等以便形成ε富銅相和NiTi相等進行強化。。
17-4PH/0Cr17Ni4Cu4Nb/05Cr17Ni4Cu4Nb/AISI630,UNS S17400/SUS630/X5CrNiCuNb16-4/PH15-7Mo/（UNS S15700、SUS 632）0Cr15Ni7Mo2Al/ AM-350(UNS S35000/SUS 633)0Cr16Ni4Mo3N/17-7PH(SUS 631) 07Cr17Ni7Al/UNS S17700/AISI 631/ PH13-8Mo/0Cr13Ni8Mo2Al（UNS S13800、XM13/04Cr13Ni8Mo2Al/15-5PH（UNS S15500、XM12）1.4545/XM-12/05Cr15Ni5Cu4Nb/0Cr15Ni5Cu4Nb/Custom-455/00Cr12Ni8Cu2TiNb /AM-355(634型) AM350/0Cr16Ni4Mo3N
根據(jù)鋼的組織可分為3類：(1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼，以中國0Cr17Ni7TiAl和0Cr17Ni4Cu4Nb為代表。(2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，以0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al為代表。(3)奧氏體沉淀硬化不銹鋼，它實際上為鐵基高溫合金，以0Cr15Ni20Ti2MoVB、1Cr17Ni10P為代表。
設(shè)計要點 (1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼。鋼中碳含量一般≤0.1％，但≥0.05％，目的是既有好的焊接性、耐蝕性，又具有較好的強韌性；鉻含量一般在16％～17％以保證足夠的不銹性和耐蝕性；合適的鎳、鉻當(dāng)量，以便鋼中δ-鐵素體的含量處于水平(一般≤5％)，以免損害橫向性能和降低鋼的強度。各種合金元素的鐵素體形成效果如下：
0.1％N 0.1％C 1％Ni 1％Co 1％Cu
-20 -18 -10 -6 -3
1％Mn 1％w 1％Si 1％Mo 1％Cr
-1 ＋8 ＋8 ＋11 ＋15
1％V 1％Al
＋19 ＋38
元素的配比應(yīng)使馬氏體相變開始溫度(Ms點)在150℃以上馬氏體相變基本完成溫度，(Mf點)在50℃以上，下述經(jīng)驗公式可作計算Ms點時的參考：
Ms={75(14.6-％Cr)＋110(8.9-％Ni)＋3000
[0.068-％(C＋N)]＋60(1.33＋％Mn＋50
(0.17-％Si)}，℃
添加適量沉淀硬化元素如銅和鈦等以便形成ε富銅相和NiTi相等進行強化。。
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