浅析镍基高温合金材料的应用及发展趋势
引言：
现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950~1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%)、在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。
除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属间化合物γ′相(Ni3Al或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。
镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。
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镍基高温合金的应用
由于在航空航天发动机中，工作条件是高温600~1200℃，应力作用复杂，对材料的要求苛刻；而镍基高温合金具有足够高的耐热强度，良好的塑性，抗高温氧化和燃气腐蚀的能力以及长期组织稳定性，因此镍基高温合金主要应用于制造涡轮发动机热端部件和航空火箭发动机各种高温部件。
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在航空涡轮发动机上，镍基高温合金主要应用在燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘；在航天火箭发动机上，主要应用在涡轮盘，此外还有发动机轴、燃烧室隔板、涡轮进气导管以及喷灌等。
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随着我国工业化建设的发展，镍基高温合金也逐渐应用在民用工业的能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等部门。目前，镍基高温合金主要应用在柴油机和内燃机用增压涡轮、工业燃气轮机、内燃机阀座、转向辊等。
镍基高温合金的发展趋势
从用途和发展的角度分析，镍基高温合金的发展趋势必向高强度、抗热腐蚀性、密度小的方向发展。
(1)追求高强度。通过添加适量的Al、Ti、Ta，保证γ′强化相的数量；加入大量的W、Mo、Re等难熔金属元素，也是提高强度的有效途径。但是为了维持良好的组织稳定性，不析出σ、μ等有害相，而在新一代合金中通过加入Ru来提高合金的组织稳定性。
(2)发展抗热腐蚀性能优越的单晶合金。通过添加适量的W、Ta等难熔金属，保证高的Cr含量。
(3)发展密度小的单晶合金。从航空发动机设计的角度考虑，密度大的合金难有作为，特别是对动叶片，在非常大的离心力下是不适合的。为此，要发展密度小的单晶高温合金，如CMSX-6、RR2000、TMS-61、AM-3、ONERAM-3等，其中的RR2000单晶合金实际上是在IN100(K17)合金基础上发展的，密度为7.87g/cm3。
结语：
镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位。从镍基高温合金的特点和用途出发，镍基高温合金的发展势在必行，镍基高温合金是航空工业中使用的重要金属材料，随着要求材料长期服役的飞机发动机和满足高峰负荷发电要求的工业燃气轮机的出现，使用的材料要具有抗疲劳、抗热疲劳、热膨胀系数低、弹性模量高以及密度小的综合性能。因此，研制具有更高承温能力和耐腐蚀性能的高温合金，对我国航空工业的发展具有重要意义。
转载：TIJO天久金属
洛林大学《Acta Materialia》镍基高温合金[110]方向蠕变组织演变
镍基高温合金由于其在高温下具有优异机械性能而广泛用于航空和工业燃气轮机。这种现象归因于其微观结构，由高体积分数的强化γ'立方析出相(L12有序结构)嵌入γ基体(面心立方固溶体)组成。在服役期间，γ'析出相发生定向粗化(筏化)，这对温度和蠕变载荷有很强的依赖性。由于其在技术上的重要性，筏化在过去的几十年里得到了广泛的研究。由于镍基高温合金是研究扩散控制的相变、弹性和塑性之间的强耦合候选材料，筏化也成为了更多基础研究的重点。大多数研究都集中在[100]定向单晶的蠕变特性上，因为[100]方向是单晶涡轮叶片的主应力方向，但是在叶片截面存在复杂冷却过程时，其他方向上的应力可能也很大，因此有必要研究在更复杂的蠕变条件下的微观组织演变和相关的力学行为。
法国洛林大学的研究人员使用3D和2D相场模拟研究了[110]蠕变载荷过程中镍基高温合金的组织演变，还研究了非均匀和各向异性对弹塑性驱动力的影响。相关论文以题为“Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys”发表在Acta Materialia。
论文链接：
本研究使用了相场模型和先前开发的晶体可塑性模型。当塑性被限制在几微米以下的区域时，它能够解释各向异性以及塑性的晶粒尺寸依赖性。它还包括针对滑行系统中位错密度的储存-恢复定律和位错之间短程相互作用的硬化矩阵。该模型用于说明蠕变条件下镍基高温合金的微观结构演变。在接近[110]的拉伸载荷下，对镍基高温合金在蠕变过程中的组织形成和演变进行了三维模拟。从立方结构开始，模拟得出了棒状析出物在恒定应力下沿[110]方向形成的微观结构。
图1上中下分别是拉伸蠕变加载下三维的组织浓度场、加载平面的二维部分和对应的自相关函数
图2 在t=7.6 h时，对加载轴的几个偏转θ进行非均匀弹塑性模拟所得微观组织
图3 在t=7.6 h时，对加载轴的几个偏转θ进行无塑性的非均匀弹性模拟所得微观组织
研究发现了析出相定向粗化(筏化)的过程，首先沿垂直于载荷方向[001]快速粗化，然后片晶按照纯弹性或全弹粘塑性模型形成。很小的载荷方向偏差就会改变粗化后的微观结构演变，较大的偏差会导致粗化程度更严重。非均匀性剪切弹性常数C'能够影响粗化方向，不均匀的弹性或塑性本身就足以发生粗化。在本文材料中，塑性是粗化产生的主要驱动力。最后，初始位错密度的选择对材料的微观结构演变影响很小，但对材料的宏观行为影响很大。
本文通过模拟的方法讨论了镍基高温合金在[110]方向蠕变下的组织演变，通过载荷方向能够获得不同的演变，并结合宏观蠕变行为进行了系统的分析。本文为镍基高温合金的组织性能调控起到了关键作用，为后续高温材料的组织性能预测有一定实际意义。（文：破风）
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2022年中国高温合金需求量及市场结构预测分析
中商情报网讯：高温合金是以铁、镍、钴为基体元素，能在 600°C以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料，是国防建设、航天航空、能源、船舶等战略性产业的关键战略材料。
需求量
近年来，随看我国航空发动机行业取得高速进展，我国高温合金行业发展受到推动，需求量不断增长。从2017年的3万吨增至2020年的5.3万吨，年均复合增长率为20.89%，预计2022年将进一步增长至7万吨。
数据来源：中商产业研究院整理
主要类别
按制备工艺，高温合金可分为铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。铸造高温合金强化相数量较多，不易变形加工，因此重熔高温合金母合金，在铸造型腔内浇注为铸件，通常用于制造航空航天发动机和燃气轮机等先进动力装备的关键热端部件，其需求量约 20%；按结晶方式可细分为等轴、定向以及单晶铸造高温合金。变形高温合金的热加工塑性较好，可以在锻轧机械的外力作用下塑性变形为特定形状和尺寸的锻件和型材，在固溶、时效状态下的高温强度优异，其需求量约占高温合金的 70%。其余 10%需求量为粉末高温合金。
按基体元素，高温合金可分为镍基高温合金、铁基高温合金和钴基高温合金。镍基高温合金的应用范围较广，需求量约占高温合金的 80%。
更多资料请参考中商产业研究院发布的《中国合金行业市场前景及投资机会研究报告》，同时中商产业研究院还提供产业大数据、产业情报、产业研究报告、产业规划、园区规划、十四五规划、产业招商引资等服务。