一文读懂高温合金
高温合金材料凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
特性
所谓高温合金，即能在600℃以上高温及一定应力作用下长期工作的一类合金。高温合金材料相比于传统金属，在性能上具有高温高强；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗疲劳性能、断裂韧性、良好的弹塑性。
分类
高温合金大体上有三种划分方式：根据基体元素种类、根据合金强化类型和根据材料成型方式。
高温合金分类
制备工艺
高温合金产品以非标准化为主，因此生产工艺较为复杂，但基本可以可分为三个步骤：熔炼、铸造和热加工，粉末冶金工业则将铸造工艺替代为热压。
各种高温合金的工艺生产流程
应用
高温合金凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
在众多应用领域中，航空航天仍然占据最重要地位，占需求总量的55%，其次是电力行业，占比达20%。
航空发动机
高温合金从诞生起就应用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、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。
高温合金在航空发动机上的应用
不同机型对高温合金需求预测
高温合金材料的用量占发动机总重量的40-60%，在先进发动机中这一比例超过50%甚至更多。
民用航空发动机
2016 年7 月11 日，波音Co在范保罗航展首日发布最新版 《当前市场展望》，预测未来20 年全球需要39,620 架新飞机，该数字较去年预测增加4.1%。
2016-2035年全球民航飞机需求
由于不同机型的发动机所需的高温合金占比不同，根据测算，未来二十年全球民航各类型新机航空发动机，对高温合金的总需求为42.7 万吨。
民航不同机型对高温合金需求
2016-2035全球民航飞机高温合金需求
我国民航发动机市场也十分广阔，根据波音Co预测，到2032 年，中国新增的飞机数量超过5580架，预计我国民用航空对高温合金的需求量将超过3.8万吨。
到2032年我国民航对高温合金需求预测
民用航空发动机
根据美国国防部预测的数据，预计未来20年中国战斗机新增量将达到1430架、军用大飞机1500架、教练机500架，合计对高温合金需求量将达到5.7万吨。
另外，现有军机的维护和修理折算成发动机所需数量为2000台，对应的高温合金需求量达到1万吨左右。因此军用领域对高温合金的需求将达到6.7万吨。
未来20年我国军用机领域对高温合金需求预测
燃气轮机
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途，其结构及原理与航空发动机类似。由于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。
燃气轮机结构示意图
燃气轮机的应用分为发电用燃气轮机领域和舰船用燃气轮机领域，主要以后者为主，在军用领域，有75%以上的海军主力舰艇采用燃机动力。
全球舰船用燃气轮机市场分布情况
对于全球燃气轮机高温合金市场而言，据罗罗Co2013年预测，未来二十年，作为舰船动力的燃气轮机的市场需求达到2700亿美元，相应的服务需求达1250亿美元，市场空间广阔。
我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机，国产舰船用燃气轮机的技术问题已经得到解决。我国海军有望形成3大近海舰队和若干航母编队的作战体系，预计将新增驱逐舰及护卫舰97艘左右，中小型舰艇200艘左右，预计对高温合金的需求量约为3.3万吨左右。
我国舰船燃气轮机对高温合金需求预测
汽车涡轮增压器
汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。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。
汽车涡轮增压器
据 cnii报道，2015年我国新售乘用车中涡轮增压的配置率在31%左右，预计到2020年，我国乘用车涡轮增压比例将高达47%。涡轮增压汽车将从2015年的750万辆增至到2025年2300万辆，期间累计高温合金总需求10.6万吨，市值超200亿元。
2015-2025年我国汽车涡轮增压器高温合金需求预测
核电领域
核电用高温合金包括：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。
根据钢研高纳2009 年招股说明书，2010-2020 十年间我国核电装机容量新增2300千瓦，在建1800万千瓦。对应高温合金需求6000吨，数值24亿元。
其他领域
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。
国内外高温合金厂商概况
国外领先厂
目前，每年全球对高温合金材料的消费将近28万吨，市场规模达到100亿美元。全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，主要集中在美、俄、英、法、德、日等国。
国内主要高温合金厂商
我国高温合金的研发起步于20世纪60年代，形成独有的合金体系，并且取得了明显的进步，到目前已经成立了众多的生产和科研单位，并已具备变形高温合金、铸造高温合金的生产基地与高端高温合金材料的生产研发基地。
来源：材料科学与工程
GH3600高温合金剪切性能和材料硬度分析
GH3600高温合金剪切性能和材料硬度分析
GH3600高温合金是一种以镍为基的固溶强化合金，广泛应用于航空航天、燃气轮机等高温领域。该合金具有优异的抗氧化、抗腐蚀以及高温蠕变性能，其在高温环境下的稳定性和机械性能决定了其在高温应用中的广泛使用。在研究GH3600的剪切性能和材料硬度时，重点需要关注其在高温环境下的强度保持能力及其硬度对其剪切性能的冲击性能。
1. GH3600高温合金的材料成分与微观结构
GH3600合金的主要成分包括镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)和钼(Mo)等元素。镍作为主要基体元素，赋予材料较高的抗高温蠕变性能；铬则提供了抗氧化能力；钴的加入增加了合金的热强度；钼则改善了合金的抗蠕变性.镍含量：大约在60-70%之间，主要用于提高高温下的耐久性和抗蠕变性能。
铬含量：15-20%，其抗氧化和抗腐蚀性能尤为重要。
钼和钴含量：通常分别为2-5%和5-10%，有助于提升抗蠕变和热稳定性.GH3600的微观结构通常为奥氏体基体，其中夹杂了一些微小的碳化物颗粒，这些微观结构对剪切强度和材料硬度有直接冲击性能。相对均匀的微观组织可以确保材料在剪切时的应力分布较为均匀，从而降低局部应力集中带来的破坏风险。
2. GH3600高温合金的剪切性能
剪切性能是衡量材料在承受切向应力时所表现出的抵抗变形的能力。GH3600高温合金的剪切性能受到多种因素的冲击性能，包括温度、应变速率、微观组织和材料硬度。
2.1 温度对剪切性能的冲击性能
在高温环境下，GH3600合金的剪切性能明显下降。例如，在常温下其剪切强度可达到550 MPa，但当温度升高至800℃时，其剪切强度会降低至350 MPa左右。这是由于高温环境下合金中的晶界滑移和位错运动加剧，导致材料内部产生较大的塑性变形.25℃时的剪切强度：约550 MPa
600℃时的剪切强度：约450 MPa
800℃时的剪切强度：约350 MPa 2.2 应变速率对剪切性能的冲击性能
应变速率是材料在承受剪切应力时的变形速率。实验表明，GH3600合金在较高的应变速率下表现出较高的剪切强度，这与材料的硬化效应有关。通常，当应变速率提高到1 s^-1以上时，其剪切强度会增加约10-15%.应变速率为0.01 s^-1时：剪切强度约400 MPa
应变速率为1 s^-1时：剪切强度约460 MPa 2.3 微观组织对剪切性能的冲击性能
GH3600的微观组织会直接冲击性能其剪切性能。精细均匀的晶粒结构和稳定的析出相可以有效提升剪切强度，而晶粒粗大或晶界弱化则会导致剪切强度的下降。
通过显微组织观察，均匀的小晶粒结构能提供较高的剪切强度，而不均匀的晶粒会产生应力集中，导致材料的脆性断裂。
3. GH3600高温合金的硬度
材料的硬度是衡量其抵抗局部塑性变形的能力，通常用来预测材料的抗磨损性和抗塑性变形能力。GH3600高温合金的硬度受其合金成分、热处理状态及其微观结构的冲击性能。
3.1 硬度测试结果
GH3600的硬度通常通过洛氏硬度或维氏硬度进行测量。在室温下，GH3600的维氏硬度值大约在350-400 HV之间，但随着温度的升高，硬度会逐渐下降。例如，当温度升高至600℃时，硬度值会降低至250 HV左右.室温硬度：350-400 HV
600℃时硬度：250 HV
800℃时硬度：200 HV 3.2 硬度与剪切性能的关联
硬度与剪切性能之间存在一定的正相关关系。较高的硬度通常意味着较强的抗剪切变形能力，这是因为硬度反映了材料内部晶体结构的稳定性及其抵抗塑性变形的能力。过高的硬度也可能导致材料的脆性增加，从而降低其整体的剪切强度.350 HV硬度下：剪切强度约为500 MPa
250 HV硬度下：剪切强度约为400 MPa
200 HV硬度下：剪切强度约为350 MPa 通过硬度控制热处理工艺，可以调整材料的硬度和剪切性能，使其更适合具体的使用工况。例如，通过适当的固溶和时效处理，GH3600可以保持较高的硬度和剪切强度。
4. 热处理对GH3600剪切性能和硬度的冲击性能
热处理是改善GH3600合金剪切性能和硬度的重要手段。通过合理的固溶处理和时效处理，可以调整合金的晶粒结构、析出相分布和硬度，进而提升其在高温下的剪切性能。
4.1 固溶处理
固溶处理可使GH3600合金中的沉淀相溶解到基体中，消除应力集中现象，提升剪切强度和韧性。在1100℃左右进行固溶处理，GH3600合金的剪切强度可提高约10%。
4.2 时效处理
经过固溶处理后的GH3600合金，通常进行800-900℃的时效处理以形成稳定的析出相，进一步提高硬度和剪切强度。
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