温合金的发展，其成分也越来越复杂, 基体由单
一的镍基发展出铁基和钴基, 合金元素已达十多
种, 除Al、Ti外, 还有Nb、C、W、Mo、Ta、
Co、Zr、B、Ce、La、Hf、Mn、N等。高温合
金的组织也由单一的奥氏体变为含有晶内、晶
界强化相，甚至有害相的复杂组织。
高温合金的工艺发展也很快。40年代到50年代中期， 主要通过调整合金成分来提高合金性能。50年代出现 真空熔炼技术，有效去处有害杂质和气体。60年代， 定向凝固、单晶合 金、粉末冶金、机 械合金化、陶瓷过 滤等温锻造等新工 艺相继出现。高温 合金的使用温度接 近其熔点的90%。
中国歼8Ⅱ
美国F-22“猛禽”
俄罗斯米格-31“捕狐犬”
世界最先进的战斗机
法国“阵 风”战斗 机
俄罗斯米格1.44战斗机
欧洲EF2000战斗机
美国
YF—22A 型战斗机
我国高温合金起步于1956年。40多年来，我国的高温
合金从无到有、从仿制到独创，至今已研制和生产了
百余种牌号的高温合金，基本上形成了我国的高温合
铁基高温合金 镍基高温合金 钴基高温合金
镍基高温合金
高温合金目前主要以Fe、Ni、Co为基。应用最广、 用量最大的是镍基高温合金，常用于制造航空发动 机的叶片、涡轮盘和燃烧室等。
基 合 金 涡 轮 叶 片
喷气发动机
Ni
涡轮喷气发动机内部示意图
1—压气机；2—燃烧室；3—涡轮发动机
涡轮喷气发动机示意图
有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg 等，它们的作用主要是降低晶 界能量和净化晶界。 (2)控制有害杂质。
高温下，拉应力使金属 中垂直晶界的扩散加速
(3)热处理：晶界颗粒状析出；弯曲（锯齿状）晶界
固溶处理组织
锯齿状晶界
固溶+时效处理组织
裂纹终止于晶界析出物
4 碳化物和氧化物强化
增加碳化物的含量和它的弥散度有 利于提高强化效果，在合金中加入细小 的氧化物颗粒，成弥散分布，起到阻碍 位错运动的作用，提高强度。
氧化物弥散强化粉末冶金 (Alloy MA754)
氧化物弥散强化Ni 粉末冶金(TD Ni)
温度(℃)
涡轮叶片的微观与宏观组织
等轴多晶体
定向凝固柱状晶 单晶
3、机械合金化高温合将元素或合金粉末机械混合、
均匀分布以实现合金化。适
用于生产氧化物弥散强化合
金、 非晶、超饱和固溶体及
2.1 定向凝固（DS） 60年代初期由F. L. Varsnyder发明.
铸件在凝固过程中定向散热，结晶 前沿维持正向温度梯度。当金属液 体注入壳型时，首先在水冷铜板板 面上形成一层结晶，各晶粒位向混 乱。在随后凝固过程中，由于冷却 板的定向散热, 使具有<110>方向的 晶粒择优长大(立方晶系金属及合金 在结晶过程中<110 >是择优方向)。
高温合金还是火箭发动机
和燃气轮机高温热端部件
神 舟
的不可替代的材料。
五
号
70年代以来，高温合金在
原子能、能源动力、交通
运输、石油化工、冶金矿
山、玻璃建材等诸多民用
工业部门得到推广应用。
利用高温合金的高温耐磨和耐蚀性能，其在湿腐蚀 的环境下的应用将越来越广泛。
高温合金的编号
我国变形高温合金的编号为GH+四位数字，如GH4037。 第一位数字表示分类号，即： 1—表示固溶强化型铁基合金； 2—表示时效硬化型铁基合金； 3—表示固溶强化型镍基合金； 4—表示时效硬化型镍基合金； 5—表示固溶强化型钴基合金； 6—表示时效硬化型钴基合金。 第二、三、四位数字表示合金的编号。
5 工艺强化
定向凝固 粉末冶金 快速凝固
高温合金的新发展
真
㈠ 工艺方面
空
自
1、真空熔炼技术
耗
炉
50年代初由 F. D. Daramava发
明。真空熔炼可大大减少有害
杂质含量，有效控制活性元素,
真
精确控制合金成分，也可直接 空
感
浇注成复杂形状铸件。
应
炉
冶炼工艺 ：真空冶炼
真空电弧炉
国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图
镍基高温合金主要特点： 1、高温强度高：镍基高温合金中的强化相’数量
可高达60-65%（体积百分数），因而强化效果显著。
’
Ni基合金组织
’中的位错对
2、组织稳定性高：FCC 基体，不易产生有害相， ’数量大且与基体共格 性好，性能对尺寸的影 响不敏感。
Al、Ni及其化合物的晶格常数
液态Ni基合金喷射雾化
纳米材料.
机械合金化高温合金件
高温合金粉末
氧化物弥散强化(ODS)合金是采用独特的机械合金 化(MA)工艺, 超细的(小于50nm )在高温下具有超 稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体 中, 而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在 接近合金本身熔点的条件下仍可维持, 具有优良的 高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能。
这类合金发展迅速，其使用温度以平均每年10℃的
速度提高。目前先进航空发动机的燃气进口温度已
达1370℃，发动机的推力也由40年代的363kg 提高
到目前的29.5 吨。高温
合金已广泛用于航空航
天发动机、民用燃气轮
机及核动力系统的耐热
部件。
航空发动机
最早的高温合金是在80Ni-20Cr电工合金的
基础上加入少量Ti和Al来提高蠕变强度。随高
2.3 DS及SC合金的性能 DS技术一般可稍稍提高b，但大大改善合金的塑
性。DS叶片比普通铸造叶片疲劳寿命提高8倍，持 久寿命提高2倍，持久塑性提高4倍。SC叶片则比 普通铸造叶片持久寿命提高4倍。DS及SC合金的 弹性模量较小，因而热疲劳性能可以提高10倍以 上。此外，由于SC合金无晶界，因而不含晶界强 化元素，如C、B、Zr、Hf等，从而提高了合金的 初熔温度，而使其固溶温度提高。
定向凝固（DS）
树枝状凝固
定向凝固组织
纵剖面 横切面
2.2 单晶法（SC） 单晶法也属于定向结晶，出现于70年代末。 与定向
凝固不同的是增设了一个单晶选择器，通过一系列 小直径向上角度的生长道路,几个一定取向的晶粒长 大了。进一步竞争使生长速度最快的一个晶粒脱颖 而出，同时堵塞了其它晶粒生长的道路。
民用飞机发动机
蜗轮发动机结构
1 固溶强化 高温合金中的主要固溶强化元素有W、Mo、Co、
Nb、Ta等。其主要作用是：⑴ 产生晶格畸变，在
0.6T熔以下， 2GC（ -屈服强度增量，-晶
格失配度，C-溶质浓度）。⑵ 降低堆垛层错能，使 位错运动困难。⑶ 降低扩散能力。
2 第二相强化 除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相
铸造压气机叶片
铸造一级涡轮盘(MAR M 247合金)
高温合金的性能特点
一、高的高温强度 （蠕变强度、持久强度、热疲劳强度、松弛）
材料强度比较
二、高的抗高温氧化和热腐蚀的能力
在高温下，合金会与环境介质中的氧发生反应（氧
化）或与沉积在其上的盐及灰粉等发生作用（热腐
蚀）。提高高温合金抗氧化和热腐蚀的能力将延长
其使用寿命。可通过 合金化或表面涂敷解
乙烯裂解炉管 的热腐蚀减薄
决，常用的合金元素
为Cr、Al、Si等。
合金在700℃H2S中暴露360h的腐蚀比较
Fe-18Cr-8Ni-2Mn-1Si
Fe-16Cr-16Ni-2Mn-1Mo-2Si
为了保证高温合金具有高的高温性能，采取了 三个基本强化手段—固溶强化、第二相强化、 晶界强化 。
金系列和科研、生产基地，保证了我国国防工业及民
用工业对高温合
金的需求。我国
已成为继美、俄、
英之后第四个高
温合金独成体系 的国家。
真空感应炉
高温合金主要用于航空发动机, 在现代航空发动机中, 高温合金材料的用量占发动机重量的40~60%，甚至 更高。没有高温合金, 就不可能有高速、高效率、安 全可靠的现代航空事业。在航空发动机中高温合金主 要用于四大热端部件, 即：导向器、涡轮叶片、涡轮 盘和燃烧室.
高温合金
（Superalloys）
高温合金
高温合金的定义和现状 高温合金的分类及编号 高温合金的性能要求 高温合金的新发展
所谓高温合金是指为在承
哥
受相当严酷的机械应力和
伦 比
要求良好的表面稳定性的
亚 号
环境下进行高温(>600℃)
航 天
服役而研制的一种合金。
飞 机
高温合金起源于40年代第二次世界大战期间。此后
几种高温合金的蠕变强度的比较
析出硬化变形 合金(Alloy 718)
固溶强化变形合金(Alloy X)
单晶(CMSX-4) 定向凝固(MAR M-200) 析出硬化铸造合金(Alloy B-1900) 析出硬化铸造合金(IN-738) 析出硬化变形合金(Alloy 115) 析出硬化变形合金(Waspaloy)
从80年代起，美国、日本、德国、英国开始投以巨 资对TBC涂层的化学配方、粘结工艺等进行系统的 研究，并成功地应用于军用飞机、电力发电等方面.
等离子热喷涂 获得的高温合 金热障涂层
等离子热喷涂
示意图
㈡ 材料方面 1、低偏析高温合金
燃气轮机用高温合 金，由于合金化程
度的不断提高，凝
固偏析日趋严重， 镍基合金(涡轮叶片材料)发展史
4、热障涂层（Thermal Barrier Coatings） 由Bernstein等人发明。目的为了阻碍燃气热量传导
到叶片内风冷空气中，以提高高温合金使用温度和 发动机热效率。目前采用真空热压箔、物理气相沉 积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次 的微叠层复合材料。微叠层纳米热障涂层可望将耐 温能力提高260℃。