我们还需要第五代单晶高温合金吗 | 航空发动机专题
在2018年的第十二届珠海航展上，中航发动机展区的展台上展出了几件不起眼的展品，国内外各媒体基本上未曾提及。但是不得不说这几件展品是本届航展上最有技术含量的少数几件展品。
从这张照片上我们可以看到，这件展品是国产第三代单晶高温合金Bi层壁冷高压涡轮工作叶片。在第三代单晶高温合金、Bi层壁冷、高压涡轮工作叶片这三个关键词中，Bi层壁冷这个词是第二次出现。上一次出现还是2016年的珠海航展上，当时展出的是一个涡轮导向叶片，全称是第三代单晶高温合金Bi层壁冷高压涡轮导向叶片，就是下面这张照片。
上一次我们只能看到这个导向叶片的正面，下面只能够看到Bi层壁冷却通道微微露出一点点，叶片内部的情况是完全看不到的。不过这次就披露了更多信息。
在这张照片上可以看到，展台上给出了四个叶片剖面的切片。我们可以清楚的看到叶片内部的复杂构造。整个叶片内部分成几个内腔，在叶片的外表面下还有六个一毫米厚四毫米宽的Bi层壁冷却通道，冷却通道还有通气孔和叶片内腔连通，叶片后部还有扰流柱。
从叶片根部的入口引入冷却空气，通入内腔进行对流冷却。部分空气自内腔经通气孔进入Bi层壁冷却通道，所有冷却空气经过内腔和Bi层壁冷却通道后，少部分自叶片顶部排出，大部分冷却空气经过扰流柱强化散热后从叶片后缘的排气孔排出。所谓的Bi层壁冷其实就是在原来的叶片表面下再做一个空的夹层，通入空气进行冷却。可以看到这个夹层非常的薄，只有一毫米厚。不要忘记这是个单晶叶片，整个叶片实际上是一个完整的晶体，没有晶界，这就是所谓单晶叶片。消除了晶界就消除了容易引起破坏断裂的重要来源，就可以获得更高的力学性能和更高的使用温度及使用寿命。Bi层壁冷却通道这个夹层是和叶片整体一次铸造成型的，这已经是非常高的工艺水平。
那么这个Bi层壁冷实际上是一种冷却技术，它可以提供大概300度左右的冷却温度。我们知道，航空发动机要想提高性能，涡轮前进气温度是一个非常关键的技术指标，它的高低基本上就决定了一台航空发动机的主要性能指标。所以提高发动机涡轮前进气温度始终是航空发动机工程师们努力奋斗的目标。能提供300度的冷却温度就可以将涡轮前进气温度提高300度，要知道这可是个不小的技术进步。我们知道单晶高温合金的工作温度每提高30度就可以算一代。以我国的单晶高温合金为例，第一代单晶高温合金DD3的工作温度为1030℃，第二代单晶高温合金DD6的工作温度为1060℃，第三代单晶高温合金DD9的工作温度为1090℃。发展了三代高温合金才提高了不到100度的工作温度，而一个Bi层壁冷却技术就相当于发展了十代单晶高温合金。而且采用Bi层壁冷却技术付出的代价要比高温合金小得多。
那么下一步，我们是不是还要发展第五代单晶高温合金，来进一步提高涡轮前进气温度呢？再往前走，遇到的第一个问题就是资源限制问题。目前世界各国使用的单晶高温合金，主要是镍基单晶高温合金。而镍基单晶高温合金提高工作温度的主要技术手段之一就是增加合金中稀有金属的含量，这些稀有金属主要是铼、镱、镥、钌等高熔点金属元素。对于已经掌握镍基单晶高温合金的国家来讲，只要愿意付出代价，增加这些稀有金属元素的含量，就能研发出第四代、第五代单晶高温合金，这中间没有太高技术门槛。我国国内也已经研制了第四代、第五代单晶高温合金，但问题是这样做是要付出代价的。这些稀有金属元素的矿藏储量在全世界范围内都是非常稀有的，以金属铼为例，全球矿产储量也不过一两千吨，比黄金还要稀少N多倍，全球年产量也不过几十吨级别。价格高不说，有钱也不一定买得到。虽然我国也有部分铼矿储备，但终究资源有限。而且金属铼回收利用的技术难度和成本都非常高。正是因为如此，很多单晶高温合金都以尽量少用金属铼来标榜自己成本低、对资源依赖少。
另一个限制来自镍基单晶高温合金工作温度的理论限制，镍基单晶高温合金的极限工作温度大概在1226℃。发展到第五代单晶高温合金，工作温度也就只是提高到1150℃。这已经接近理论极限，没有多大发展空间了，但是付出的代价却不小，所以这个发展方向在技术上实际上是条死胡同。
正是基于以上原因，传统的发动机强国美国和英国都没在这方面下很大功夫，第五代单晶高温合金实际应用很少，大多国家停留在实验室研究水平上。目前只有日本还在这上面努力发挥工匠精神。
那么，对我国来说，有了Bi层壁冷却技术上的进步，就不一定非要走第五代单晶高温合金这个独木桥，我们完全可以走一条以系统整体最优为目标，依靠体系创新的发展道路。当然，仅仅靠Bi层壁冷却技术还远远不够，我们下次接着聊展台上的其它展品。
单晶高温合金是生产航空发动机叶片关键材料 行业技术壁垒高
单晶高温合金是生产航空发动机叶片关键材料 行业技术壁垒高
#合金#单晶高温合金以单个晶体为单位，合金化程度高，与传统高温合金相比，具有化学成分均匀、不易产生裂纹源、抗蠕变性能优、热加工性能优、成形性能好、使用寿命长等特点，可以应用在对材料耐高温性、耐腐蚀性、载荷能力、使用寿命等要求高的航空发动机叶片领域，是一种高技术含量新材料。
单晶高温合金研发技术难度大，需要拥有丰富经验的专业人员，经历长时间进行研究开发。单晶高温合金研发问世之后，还需要进行大量实验来证实其能够在航空发动机上使用。总的来看，单晶高温合金行业进入的人才、技术、资金壁垒高。
随着合金技术不断进步，在全球范围内，单晶高温合金产品已经从第一代发展到了第五代。其中，第三代单晶高温合金是镍基单晶高温合金，晶体晶界少，耐高温性能优，抗蠕变性能高，是先进航空发动机中应用较多的产品类型，代表性产品是ReneN6、CMSX-10。第四代单晶高温合金是在第三代单晶高温合金基础上研发的产品，现阶段已经具备批量生产能力。第五代单晶高温合金技术尚不成熟，还需要不断改进，现阶段应用极少。
我国于20世纪80年代开始研究单晶高温合金，现阶段具有第四代单晶高温合金生产能力，也已经开发出第五代单晶高温合金产品。单晶高温合金性能的提升，是依靠添加铼、镱、镥、钌等稀有金属实现的，这些稀有金属在全球范围内储量极少，限制了单晶高温合金技术进一步升级。同时，单晶高温合金发展到第五代，其使用温度已经接近极限，未来即使投入较大代价可提升的空间也较小。现阶段，我国以及其他国家研究单晶高温合金时，在提升材料性能的同时对稀有资源依靠度的降低更为关注。
全球单晶高温合金研究机构及生产企业数量较少，主要是美国GE公司、美国Cannon-Muskegon公司、美国P&W公司、英国RR公司、英国Mond Nickel公司、日本国立材料研究所、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究、成都航宇超合金技术有限公司等。
根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年单晶高温合金行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，单晶高温合金技术含量高，产品附加值高，全球产量有限，主要应用在航空发动机叶片领域，其他领域应用极少。一台先进航空发动机叶片制造所需单晶高温合金在50kg左右，全球每年单晶高温合金需求量在300吨左右，需求量较少，但由于其价格高，全球每年单晶高温合金市场容量在250亿元上下。
新思界行业分析人士表示，单晶高温合金研发及生产能力体现出一个国家在新材料领域的尖端技术实力，叶片是航空发动机的关键部件，单晶高温合金的技术实力以及供应能力也直接体现了一个国家航空发动机的制造能力，全球仅有美国、英国、日本、中国等少数国家具有生产能力。但与美国、英国相比，我国单晶高温合金行业在产品性能稳定性方面还存在差距，未来还有较大进步空间。
什么是高温合金？
本期内容：
高温合金是一类能够在高温下保持优异机械性能、抗氧化性和抗腐蚀性的合金材料，广泛应用于航空航天、能源、石油化工和汽车等领域。这些合金主要由镍、铁和钴等金属元素组成，通常添加铬、钼、钨、铝、钛和铌等元素以增强其性能。
一、分类高温合金主要分为以下三类：
1. 镍基高温合金
特点：在高温下具有优异的强度、抗氧化性和抗腐蚀性。广泛用于航空发动机涡轮叶片和燃气轮机部件。
常见合金：Inconel、Hastelloy、Nimonic。
2. 铁基高温合金
特点：成本较低，适合中等温度范围的应用。主要用于制造工业燃气轮机和化工设备。
常见合金：Incoloy、A-286。
3. 钴基高温合金
特点：在高温下具有优异的抗疲劳性和抗氧化性，常用于制造航空发动机和燃气轮机的高温部件。
常见合金：Haynes、Stellite。
二、组成元素及作用1. 镍（Ni）：提供高温强度和抗氧化性。
2. 铁（Fe）：主要用于铁基高温合金，提供基体强度。
3. 钴（Co）：增强高温强度和抗腐蚀性。
4. 铬（Cr）：提高抗氧化性和抗腐蚀性。
5. 钼（Mo）和钨（W）：提高高温强度和硬度。
6. 铝（Al）和钛（Ti）：通过形成γ'相（Ni3(Al,Ti)）增强合金的沉淀硬化效果。
7. 铌（Nb）：形成强化相，提高高温强度。
三、性能特点1. 高温强度：超级合金可承受极热，保持其他金属会变弱的强度和稳定性，使其成为航空航天和发电的理想选择。
2. 抗氧化性：在高温环境中具备良好的抗氧化能力，防止材料表面形成氧化层。
3. 抗腐蚀性：这些材料具有出色的抗氧化和腐蚀性能，确保在恶劣的化学或海洋环境中的使用寿命和可靠性。
4. 抗疲劳性：它们具有高抗拉强度、屈服强度和疲劳强度，这意味着它们可以承受严重的磨损而不会失效。
5. 热稳定性：在高温下能够保持结构和性能的稳定。
6. 良好的表面稳定性：高温合金在高机械应力和高热循环下仍能保持其表面完整性，从而减少维护需求。
四、应用01航空航天
发动机涡轮叶片：需要材料在高温高压下具有高强度和抗氧化性。
燃气轮机部件：要求材料在高温下具有优异的抗疲劳性和抗腐蚀性。
02能源
燃气轮机：用于发电设备中，需要材料在高温下长期稳定运行。
核反应堆：高温合金用于核反应堆的结构部件，要求高温强度和抗辐射性能。
03石油化工
化工设备：如换热器、反应器和管道，要求材料在高温和腐蚀性介质中稳定运行。
04汽车
涡轮增压器：高温合金用于制造汽车发动机的涡轮增压器部件，要求高温强度和耐久性。
05化工加工
超级合金可抵抗反应容器、泵和阀门中的化学降解，并承受恶劣的物质和温度。
五、加工和制造01铸造
单晶铸造：用于制造高温涡轮叶片，具有优异的高温性能。
定向凝固铸造：控制晶粒的生长方向，提高材料的高温强度和抗疲劳性。
02锻造
用于制造高温合金锻件，具有优异的力学性能和致密性。
03粉末冶金
通过粉末冶金技术制造复杂形状的高温合金零件，具有均匀的组织和优异的性能。
04机械加工
高温合金的加工难度较大，需要使用合适的刀具材料和加工参数，以保证加工质量。
高温合金是关键工业领域不可或缺的材料，具有优异的高温强度、抗氧化性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。根据具体应用需求，选择合适的高温合金种类和加工工艺，可以显著提高设备和部件的性能和寿命。
切削之家
每天服务行业用户50w+
全网视频播放量4亿+
我们持续会为大家输出有数值的内容信息，如果觉得我们的文章很赞，不妨把我们的账号介绍给您的同事和朋友，愿在未来探寻技术的路上我们共同成长。