（a）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖

（b）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

高溫合金具有較高的熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)度，能在高溫下具有良好的抗腐蝕、抗氧化能力，是制造航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件必不可少的關(guān)鍵材料，主要應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件，即渦輪盤、渦輪導(dǎo)向葉片、渦輪工作葉片、燃燒室和加力燃燒室的各種零部件。在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%-60%。

燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件中工作溫度最高的區(qū)域，燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1500-2000℃時(shí)，室壁合金承受溫度可達(dá) 800～900℃，局部可達(dá)1100℃。用作燃燒室的合金承受急熱急冷的熱應(yīng)力和燃?xì)鉀_擊力作用，特別是在起飛、加速和停車時(shí)，溫度變化更為急劇。由于周期循環(huán)加熱冷卻，燃燒室常出現(xiàn)變形、翹曲、邊緣熱疲勞裂紋等。

近年來，燃燒室采用的高溫合金大部分是固溶強(qiáng)化型合金，合金中含有大量 W,Mo,Nb等固溶強(qiáng)化元素，高溫強(qiáng)度高，成形焊接性能良好，具有代表性的牌號(hào)有GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、 GH3018、GH3022、GH3044、GH3128、GH3170等 。

導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃?dòng)方向的部件，也稱導(dǎo)向器，是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊大的零件之一，尤其是當(dāng)燃燒室內(nèi)燃燒不均勻、工作不良時(shí)，導(dǎo)向葉片所受熱負(fù)荷更大，先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片工作溫度可達(dá)1100℃。由熱應(yīng)力引起的扭曲、由溫度劇烈變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷是導(dǎo)向葉片在工作中的主要缺陷。

用作導(dǎo)向葉片的合金，大多數(shù)采用精密鑄造工藝生產(chǎn)，合金中可以加入較多的 W, Mo,Nb,Al,Ti等固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化元素，且合金中C,B含量也比變形高溫合金高。有些導(dǎo)向葉片也采用時(shí)效強(qiáng)化的板材直接焊接而成。先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用空心鑄造葉片，其冷卻效果好，可以提高使用溫度。國內(nèi)導(dǎo)向葉片合金的使用溫度可達(dá)000~1050℃,?代表性精密鑄造合金有K214,K233,K406,K417,K403,K409,K408,K423B等。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤溫度的進(jìn)一步提高，導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，嘗試采用GH5605和GH5188。變形高溫合金板材焊接的層板結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)向器葉片。

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的部件，工作環(huán)境溫度高，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受很大的離心應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、熱應(yīng)力、氣流沖刷力等，葉身部分承受拉應(yīng)力大約140MPa，葉根部分承受平均應(yīng)力為 280-560MPa，葉身和葉根部分承受溫度分別為650-980℃和760℃左右。先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度已達(dá)1380℃，推力達(dá)226kN。典型牌號(hào)有 GH4033,GH4037,GH4143,GH4049,GH4151,GH4118,GH4220等，可在750-950℃使用。在新機(jī)研制和老機(jī)種改性時(shí)，都選用鑄造高溫合金制造渦輪葉片。鑄造合金典型的牌號(hào)有K403,K417, K417G,K418、K403、K405、K4002等。

渦輪盤在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件中所占質(zhì)量最大，單件質(zhì)量在50kg以上，大型渦輪盤單件質(zhì)量達(dá)到幾百 千克。渦輪盤工作室，一般輪緣溫度可達(dá)550-650℃，而輪心溫度只有約300℃，整個(gè)渦輪盤溫差很大。因此，會(huì)產(chǎn)生較大徑向的熱應(yīng)力。渦輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶著渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)，承受很大的離心力，榫齒部分所受的應(yīng)力更為復(fù)雜，既有拉應(yīng)力，又有扭曲應(yīng)力，在起動(dòng)和停車過程中構(gòu)成一次大應(yīng)力低周疲勞。

渦輪盤用變形高溫合金，一類為鐵鎳基高溫合金，典型的合金牌號(hào)有GH2132, GH2135,GH2901,GH4761等，工作溫度在650℃以下；另一類為鎳基高溫合金，典型牌號(hào)有GH4196,GH4133,GH4133B,GH4033A,GH4698等，使用溫度可達(dá) 700^800℃。

運(yùn)載火箭是把各種航天器送入空間軌道的運(yùn)載工具 ，高溫合金在航天領(lǐng)域主要應(yīng)用于推力運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上 。圖2是液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物及其結(jié)構(gòu)示意圖，是將推進(jìn)劑儲(chǔ)箱或運(yùn)載工具內(nèi)的反應(yīng)物（推進(jìn)劑）變成高速射流而產(chǎn)生推力，由圖(b）可看出，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處氣流達(dá)到 2500m/s，溫度高達(dá)1350℃。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合金，但對(duì)比航空發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用材還有一些新 的特點(diǎn) ：

①火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料箱、泵傳送器等部件工作是在以液氧一煤油或液氫一液氧以及作為氧化劑的發(fā)煙硝酸和四氧化氮特殊介質(zhì)中使用，具有特別強(qiáng)烈的侵蝕性。除了在1000℃以上的工作溫度下出于腐蝕而引起的問題之外，流過的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物也產(chǎn)生沖蝕性，因此，所需材料不僅要求高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，還需要適應(yīng)低于-253℃的低溫環(huán)境。

②火箭啟動(dòng)時(shí)從零到滿載時(shí)間極短，一般只需0.2-0.5s，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度過載會(huì)對(duì)材料施加巨大的機(jī)械負(fù)荷，所以，要求充分考慮材料的熱沖擊和熱膨脹問題。

③由于常規(guī)火箭渦輪一次性使用，所以一般對(duì)材料的持久強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度要求較低。

④火箭本身重量必須盡可能的小，因此，金屬材料的比強(qiáng)度在火箭制造中具有特別重要的意義。

⑤彈道火箭進(jìn)入大氣層時(shí)，熱流量為10000-25000kca1/(m2"s)(lkca1=4186J)，在短時(shí)間內(nèi)引起巨大的溫度梯度，長時(shí)間作用則會(huì)建立起平衡溫度，因此，對(duì)金屬材料的耐熱性有特殊要求。

鑄造高溫合金是由合金錠重熔后直接澆注或定向凝固成零件的高溫合金，其發(fā)展始于20世紀(jì)40年代。鑄造高溫合金不再考慮鍛造變形性能，可通過精密鑄造方法或定向凝固工藝鑄造出形狀復(fù)雜且有通暢內(nèi)腔的無余量空心薄壁葉片。因此，鑄造高溫合金元素總量要顯著高于變形高溫合金，其 中，固溶強(qiáng)化元素增添了Re,Ru等元素，難熔金屬元素W的含量提高（有些合金超過10%）沉淀強(qiáng)化合金元素除Al,Ti之外，還加入Nb,Ta,Hf,V等元素。

鑄造高溫合金按凝固方法分類可分為等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金三類。

在一般條件下鑄造高溫合金時(shí)，熔融的合金在鑄型中逐漸冷卻，由多個(gè)晶核產(chǎn)生多個(gè)晶粒，隨著溫度降低 ，晶粒不斷長大，最后充滿整個(gè)零件。由于合金冷卻時(shí)散熱的方向未加控制，晶粒長大也是任意的，得到的晶粒形狀近似球形，稱為等軸晶鑄造高溫合金。

等軸晶鑄造高溫合金晶界上往往存在許多雜質(zhì)和缺陷，是最薄弱的易破壞區(qū)域。采用細(xì)晶鑄造工藝雖然能在一定程度上改善鑄造高溫合金的持久強(qiáng)度和疲勞性能，但是無論如何凈化晶界或提高晶界強(qiáng)度，始終不能改變晶界作為最薄弱環(huán)節(jié)的事實(shí)。且對(duì)于鑄造的構(gòu)件，在同一鑄件內(nèi)力學(xué)性能都有可能不同，如整體鑄造的渦輪盤，在輪轂和葉片剖面之間晶粒度差別很大，熱處理期間葉片會(huì)變脆。相對(duì)于定向凝固高溫合金，等軸晶鑄造高溫合金制作方法簡單，成本低，因此，其在高溫合金領(lǐng)域得以快速發(fā)展及應(yīng)用。

定向凝固高溫合金是通過定向凝固技術(shù)制備出晶界平行于主應(yīng)力軸從而消除有害橫向晶界的柱狀晶高溫合金。為達(dá)到定向凝固的目標(biāo)，在整個(gè)合金結(jié)晶過程中必須滿足兩個(gè)基本條件：一是在整個(gè)凝固過程中，鑄件的固一液相界面上的熱流應(yīng)保證從一個(gè)方向擴(kuò)散，即定向散熱；二是結(jié)晶前沿區(qū)域內(nèi)必須維持正向溫度梯度，以阻止形成新的晶核。

圖3為Bridgman定向凝固和整套裝置示意圖，定向凝固時(shí)液態(tài)金屬注入殼型，首先與水冷銅板相接觸，由于板面溫度很低，靠近板面的那一層液態(tài)金屬迅速冷卻到結(jié)晶溫度以下并開始結(jié)晶，此時(shí)形成的晶粒位向紊亂，隨后的凝固過程中由于熱流通過已結(jié)晶的固態(tài)金屬有方向地向冷卻板散熱，且結(jié)晶前沿存在著正向溫度梯度，具有＜100＞方向的晶粒擇優(yōu)長大，排擠其他方向的晶粒，只要凝固條件維持不變 ，柱狀晶就可以維持生長，直到整個(gè)葉片。定向凝固工藝用于飛機(jī)渦輪盤制備中，在渦輪盤的橫截面上會(huì)形成指向盤心部的柱狀晶，如圖4所示。制備定向凝固柱狀晶高溫合金的方法有很多，如用發(fā)熱劑控制晶粒按＜100＞方向優(yōu)先長大的發(fā)熱鑄型法；通過功率來控制晶粒長大的功率降低法（PD法）；用可移動(dòng)水冷銅板和鑄型及增設(shè)輻射擋板來實(shí)現(xiàn)低功率方法來控制晶粒長大的快速凝固法（HRS法）；用液態(tài)金屬 （如熱錫槽）以冷卻鑄型進(jìn)行導(dǎo)熱方式控制晶粒長大的液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）等。目前應(yīng)用最為廣泛的是快速凝固法。

變形高溫合金是指將鑄錠進(jìn)行冷、熱加工制成各種型材或零件毛坯，最后制成熱端零件的高溫合金，其關(guān)鍵是合金錠具有成形能力。與鑄造高溫合金相比，變形高溫合金合金化程度低，因此，熔點(diǎn)較高，熱加工溫度上限較高 ，合金再結(jié)晶溫度較低，降低熱加工溫度下限，因此，變形高溫合金熱加工范圍較鑄造高溫合金寬。按基體元素的不同，變形高溫合金可分為鐵基變形高溫合金、鎳基變形高溫合金和鈷基 變形高溫合金。

鐵基變形高溫合金是從奧氏體不銹鋼發(fā)展起來的。鐵基變形高溫合金Fe含量在18％~45%，為穩(wěn)定奧氏體，通常要加入25%-45%的元素Ni，也可加入適量的元素Mn,N,C。代替部分元素 Ni。為保證合金有充分的抗氧化腐蝕能力，鐵基變形合金中還加入11％~23％的元素Cr，所以鐵基高溫合金實(shí)際上是以 Fe-Ni-Cr三元系為基，當(dāng)Ni含量大于40％時(shí)一般也稱作鐵鎳基高溫合金。鐵基高溫合金的基體通常有 Fe-15Cr-25Ni型、Fe-15Cr-35Ni型、Fe-15Cr-45Ni型。常用鐵基變形高溫合金的 牌號(hào)、化學(xué)成分及使用溫度如表4所示。

表4?常用鐵基變形高溫合金的牌號(hào)、化學(xué)成分及使用溫度

鐵基變形高溫合金按其強(qiáng)化方式可分為三類 ：第一類是碳化物、氮化物或復(fù)合碳氮化物強(qiáng)化合金，其使用溫度在 550-600℃，現(xiàn)已逐漸被其他合金取代；第二類是固溶強(qiáng)化合金，在高溫下有良好的抗氧化和抗腐蝕能力，使用溫度在 800-950℃，主要用作板材，制造承力不大但工作溫度較高的零件；第三類是金屬間化合物強(qiáng)化合金，使用溫度在600-750℃表5為部分鐵基高溫合金在高溫下的力學(xué)性能。

表5 鐵基變形高溫合金高溫力學(xué)性能

鎳基變形高溫合金通常加入10％-25％的Cr元素，以保證合金具有良好的抗氧化腐蝕性能，所以鎳基合金實(shí)際上以 Ni-Cr為基體。此外，有些合金在Ni-Cr固溶體中加入元素 Co(15%-20%),Mo（約15％）或 W（約11%)，分別構(gòu)成以 Ni-Cr-Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W為基體的三元系變形高溫合金。表6為我國常用鎳基變形高溫合金的牌號(hào)、化學(xué)成分及使用溫度。圖6為在渦輪葉片和盤片上，高溫合金應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

表6 中國常用鎳基變形高溫合金的牌號(hào)、化學(xué)成分和使用溫度

圖6?高溫合金在葉片和盤片上應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)比

鎳基變形高溫合金固溶強(qiáng)化元素種類多，沉淀強(qiáng)化元素 AI+Ti含量高，具有較好的組織穩(wěn)定性。與鐵基和鉆基變形高溫合金相比，鎳基變形高溫合金具有良好的抗氧化、抗熱腐 蝕和抗冷、熱疲勞性能，塑性、高溫蠕變強(qiáng)度優(yōu)異，使用溫度可達(dá)800℃以上。表7為常用鎳基變形高溫合金高溫力學(xué)性能。

表7 鎳基變形合金的高溫力學(xué)性能

鈷基變形高溫合金實(shí)質(zhì)上是以Co-Ni-Cr三元系為基，另含 W,Mo,Nb,Ta等固溶強(qiáng)化元素和碳化物形成元素。表8為有代表性的鈷基變形高溫合金的化學(xué)成分。

表8?部分鉆基變形高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

鈷基變形高溫合金與鎳基變形高溫合金相比，其加工硬化速率較大，零件成形后的表面質(zhì)量較好，但在成形過程中，一般需要較多的熱加工加熱火次或冷變形中間退火次數(shù)，其加 工成形設(shè)備的噸位也要求較大。鈷基變形高溫合金在高于 980℃時(shí)，其強(qiáng)度很高，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性優(yōu)異，但是，鈷基變形高溫合金以碳化物為主要強(qiáng)化相，缺少共格類的強(qiáng)化相，在較低和中等溫度范圍內(nèi)持久強(qiáng)度比鎳基變形高溫合金低。表9列出了有代表性的鈷基變形高溫合金的高溫力學(xué)性能。

表9?鉆基變形高溫合金高溫力學(xué)性能

隨著高溫合金工作溫度和強(qiáng)度的不斷提高以及綜合性能的改善，合金中強(qiáng)化元素含量不斷增加，成分越來越復(fù)雜，熱加工性能變得很差，不少高性能鎳基高溫合金已不能熱加工變形，只能以鑄態(tài)使用。然而，由于鑄造組織偏析嚴(yán)重導(dǎo)致了顯微組織的不均勻和力學(xué)性能的波動(dòng)，故而開始采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高溫合金克服上述缺點(diǎn)，得到幾乎無偏析、組織均勻、熱加工性能良好的高溫合金材料。粉末高溫合金是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端部件的優(yōu)選材料，主要用于制造渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸、渦輪盤、高壓擋板等發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫承力轉(zhuǎn)動(dòng)部件。

目前，用粉末冶金法制得的高溫合金可分為普通粉末 （powdermetallurgy, PM）高溫合金和氧化物彌散強(qiáng)化 （oxidedispersionstrengthened,ODS）高溫合金兩類。

典型的第三代粉末高溫合金有Honeywell開發(fā)的 Alloy10,NASA/GE/P&-WA合作開發(fā)的Renel04(ME3）等。法國在N18基礎(chǔ)上研發(fā)的NR3,NR6,N19等合金也屬于第三代粉末高溫合金。美歐研發(fā)的粉末高溫合金成分及合金特性如表10所示。