合 金 类 似 的 组 织 。 新 开 发 的 Ｉｒ 基 金 属间化合物材 Ｈｆ 和 Ｃ， 使得合金中形成 （ Ｈｆ， Ｎｂ） Ｃ 弥 散 强 化 时 ，
料在 １ ２００ ℃下的强度达到１ ０００ ＭＰａ， 显示出优良 可 以 提 高 这 个 极 限 ， 如 Ｎｂ－ ５Ｍｏ－ １５Ｗ－ ５Ｈｆ－ ５Ｃ 合
综合评述
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Ｖｏｌ． ２６， Ｎｏ． ７， ２００７
日本超高温结构用金属材料的研究现状
张小明， 田 锋
（ 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６）
摘 要： 简要介绍了日本围绕燃气轮机用关键超高温金属结构材料所展开的研究开发工作， 包括 Ｎｉ 基超合金、耐
热金属间化合物、Ｎｂ 基超合金及其复合材料。Ｎｉ 基超合金仍是当前燃气轮机用超高温结构的主要材料， 但其使用
Ｎｉ３Ａｌ 金属间化合物是有序金属间化合物中研究最 多的一种。最近制备出的单向凝固 Ｎｉ３Ａｌ 铸锭， 塑性 较好， 可轧成厚度小于 １００ μｍ 的箔材。将此箔材制
的 错 配 位 错 网 微 细 化 ， 从 而 开 发 出 使 用 温 度 达 成蜂窝结构， 能够用做汽车尾气处理的催化剂载体。
１ ０８３ ℃的第 ４ 代单晶合金 ＴＭＳ－ １３８ 和使用温度达
ＧＤＴ－ １１１ 铸造合金相比［１］， 定向凝固合金的拉伸强度 为高温材料的优异性能之一。目前已知的金属间化
提高了 ２５％， 延伸率提高了 １ 倍， 低周疲劳强度提 合物从简单的有序结构到复杂的晶体结构， 约有 １
高了 ９ 倍， 蠕变温度提高 ２２ ℃。 在 日 本 最 新 的 机 万 多 种 。 作 为 高 温 应 用 的 金 属 间 化 合 物 主 要 有
金在高温区间和中低温区间都具有很优异的蠕变强 化合物。目前， 日本开发的高熔点金属间化合物主
度 。 而 由 ＧＥ， Ｐ＆Ｗ， ＮＡＳＡ 等 共 同 开 发 的 第 ４ 代 单晶 合 金 ＭＸ４（ 也 称 为 ＰＷＡ１４９７） 的 使 用 温 度 仅 达
要有 ＭｏＳｉ２、Ｎｂ 基和 Ｉｒ 基金属间化合物。ＭｏＳｉ２ 的特 点是在高温氧化性气氛中， 与氧反应生成氧化钼和
机叶片的实机验证［２］。 日本经济产业省计划将此合 题是抗氧化性和脆性。其抗氧化性可通过合金化或
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涂层解决， 脆性可通过形成第二相和复相化以提高 降低。综合考虑强度和韧性， 若只是固溶强化， 则
材料的塑 性 来 解 决 。Ｉｒ 基 金 属 间 化 合 物 与 Ｎｉ 基 超 Ｍｏ＋Ｗ 添 加 量 为 ２０ｍｏｌ％时 应 为 添 加 极 限 ， 但 添 加
收稿日期： ２００６－ １０－ １８ 作者简介： 张小明， 男， １９５７ 年生， 教授级高工， 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６， 电话： ０２９－ ８６２３１３１７，
Ｅ－ ｍａｉｌ： ｘ．ｍ．ｚｈａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
２００７ 年 ２６ 卷第 ７ 期
稀有金属快报 １３
固溶强化， 保持高强度。典型的镍基超合金牌号包 金用做开发中的日 本 首 架 民 航 飞 机 发 动 机— ——“ 环
进材料开发”的国家项目 ， 对高熔点化合物 Ｎｂ３Ａｌ 进行了为期 ８ 年的开发， 研究了合金设计、精密铸
１３７ ＭＰ ａ ｆｏｒ Ｎｉ－ ｂａｓ ｅｄ ｓ ｉｎｇｌｅｃｒｙｓ ｔａｌ ａｎｄ Ｎｂ－ ｂａｓ ｅｄ ｓ ｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ
造 、 粉 末 制 造 及 其 直 接 轧 制 、 ＨＩＰ 近 净 成 形 等 。 Ｎｂ３Ａｌ 熔点为 ２ ０６０ ℃， 密度为 ７．２６ ｇ·ｃｍ－３， 作为超 高温材料有很大优越性， 但其在 １ ０００ ℃以下则表 现为脆性， 不适合用做结构材料。通过与延性相 Ｎｂ 固溶体的复合， 谋求 Ｎｂ３Ａｌ 和 Ｎｂ 固溶体两相的固溶 强 化 ， 并 将 Ｎｂ３Ａｌ 中 的 Ｎｂ 用 ５０％的Ｍｏ 替 换 形 成 原 位 复 合 材 料 ， 在 １ ３００ ℃得 到 超 过 １ ０００ ＭＰａ
代单晶合金、含 Ｒｕ 和 Ｙ 等铂族金属的第 ４ 代单晶 制造 ＴｉＡｌ 增压器， 年产量已达几万个。目前进行的
合金， 以及含 Ｒｕ ６％的第 ５ 代单晶合金， 合金的使 ＴｉＡｌ 金属间化合物的基础性研究有： 通过控制凝固
用温度不断提高。
结晶过程控制片层状组织和力学性能； 通过添加第
美国 ＧＥ 公司和日本新世纪耐热材料项目的研 ３ 元 素 和 加 工 热 处 理 进 行 显 微 组 织 控 制 等 。 最 近 ，
两个数量级； Ｎｂ 比 Ｎｉ 的熔点高 １ ０００ ℃， 热膨胀 １００ ｈ 下的蠕变断 裂 强 度 超 过 了 １５０ ＭＰａ。 表 １ 给
系 数 也 比 Ｎｉ 低 得 多 ， 且 Ｎｂ 的 塑 脆 转 变 温 度 极 低 出 了 Ｎｉ 基单晶和 Ｎｂ 基超合金在蠕变时间 １ ０００ ｈ
（ 多晶 Ｎｂ 约为－ １６０ ℃） ， 所以室温延展性很好， 加 工难度小。因此， 作 为 高 温 结 构 材 料 ， Ｎｂ 基 合 金 最有可能成为 Ｎｉ 基超合金的替代材料。
在 １ ０００ ℃以上无冷却情况下可使用的材料称 为超高温材料。金属间化合物、难熔金属及其合 金、陶瓷以及各种复合材料都是候选材料。下面主 要介绍最近几年 Ｎｉ 基超合金 、 耐 热 金 属 间 化 合 物 和 Ｎｂ 基超合金的一些研究进展。
２ Ｎｉ 基超合金
Ｎｉ 基超合金是最重要的高温合金之一， 是喷气 式飞机发动机和燃气轮机不可或缺的材料。Ｎｉ 基超 合金是两相合金， 母相 γ相（ Ｎｉ 基固溶体） 中共格析 出 γ＇ 相 （ 以 Ｎｉ３Ａｌ 为基的 ＬＩ２ 有序相） ， 为析出强化 机制。γ单相合金的强度实际上并不高， 而两相共 格的界面成为位错移动的壁垒， 产生所谓的“共格 界面导入强化”效应， 使合金呈现出最大强度。当 γ＇ 相的含量达到 ６０φ％～７０φ％时， 合金具有最大的 蠕变断裂寿命。在大型发电用燃气轮机方面， 由于 燃 料 中 硫 含 量 较 高 ， 因 此 要 添 加 １２％～２２．５％的 Ｃｒ 以 提 高 耐 蚀 性 ， 同 时 添 加 Ｗ， Ｔａ 等 难 熔 金 属 进 行
温度的上升潜力已经不多， 用新的超高温材料替代 Ｎｉ 基超合金是燃气轮机用材的发展趋势， 金属材料中耐热金属
间化合物和 Ｎｂ 基复合材料是今后关注的焦点。
关键词： Ｎｉ 基超合金； Ｎｂ 基超合金； 金属间化合物； 复合材料
中图法分类号： ＴＧ１４６
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５９３９（ ２００７） ０７－ ０１２－ ０４
冷却会使大型多级气轮机的热效率降低， 如果 能 得 到 无 需 冷 却 即 可 使 用 的 材 料 ， 则 在 １ ５００ ℃ 下， 热效率就可提高 ５％。换句话说， 同样的热效 率， 空气冷却燃气轮机的 ＴＩＴ 为 １ ５００ ℃， 而无冷
却的则可使 ＴＩＴ 降到 １ ３００ ℃以下。降低温度可以 减少 ＮＯｘ 的排放量， 有益于大气环境保护。
在高温结构材料中， 金属的加工性能和韧性好，
１ １００ ℃的第 ５ 代单晶合金 ＴＭＳ－ １６２。贵金属元素 但耐高温性能相对低， 而像 Ｃ／Ｃ 复合材料和陶瓷材
不仅可作为 ８００ ℃左右温区的组织稳定化元素， 而 料耐高温性能好 ， 但加工性能和韧性较差。因此，
且还有较好的固溶强化作用， 因此， 第 ５ 代单晶合 很有必要开发能够兼顾二者性能的高熔点的金属间
括应用最广的 ＩＮ－ ７３８ＬＣ， 其他还有 Ｒｅｎｅ８０ 的改进 境适应型小型喷气发动机”的第 １ 级动叶片材料。
型 ＧＤＴ－ １１１ 和日本的 ＭＧＡ１４００。这些合金由于高 温强度优异， 故锻造很困难， 且叶片要求有复杂的
３ 耐热金属间化合物
冷却结构， 所以须采用精密铸造来制造。与普通的
金属间化合物热力学稳定性好， 这一点是其作
的高温性能。然而， 铂族金属价格太高， 限制了其 金， 断裂韧性值由不加 Ｈｆ 和 Ｃ 的 ７ ＭＰａ·ｍ１／２ 提高到
大规模应用。
１０ ＭＰａ·ｍ１／２。 从 蠕 变 断 裂 性 能 这 一 超合金
５Ｍｏ－ １５Ｗ－ ５Ｈｆ－ ５Ｃ 合金强度还不够， 故利用硅化物 来 弥 散 强 化 ， 形 成 Ｎｂ 固 溶 体 初 晶 及 Ｎｂ 固 溶 体 ＋
型中， 广泛采用了定向凝固合金叶片。 单 晶 合 金 没 有 晶 界 ， 可 使 γ＇ 相 完 全 固 溶 ， 所
ＴｉＡｌ、Ｎｉ３Ａｌ、ＭｏＳｉ２、Ｎｂ 基、Ｉｒ 基金属间化合物［３］。 ＴｉＡｌ 金属间化合物密度小， 晶体结构简单， 在
以热强度高于定向凝固合金， 疲劳强度也提高， 横 １ ０００ ℃左右耐热性好。迄今人们已对其进行了近
到 １ ０６０ ℃。
氧化硅， 而氧化钼的蒸气压高， 易蒸发， 氧化硅则
日本各大型燃气轮机厂家最新 的 产 品 中 ， 动 、 留在零件表面形成了 ＳｉＯ２ 薄膜。ＳｉＯ２ 在高温氧化性 静叶片的前级都使用了 Ｎｉ 基 单 晶 合 金 ， 涂 层 则 是 气氛中具有自修复性， 显示出良好的抗氧化性能，
１ 前言
从防止地球变暖和降低燃料消耗量 ２ 个方面来 看， 追求火力发电的高效化是毋庸置疑的。在火力 发电中， 为提高热效率， 蒸汽轮机的临界工作条件 已达到 ６００ ℃， ２４．５ ＭＰａ， 即使如此， 其热效 率 也 不足 ４５％。当燃气轮机与蒸汽轮机组合起来构成复 合循环发电系统时， 随着燃气轮机气体入口温度 （ ＴＩＴ， 与 燃 烧 器 的 出 口 温 度 相 同） 的 升 高 ， 热 效 率 会显著增加。实际测试发电系统的热效率， １ １００ ℃ 级别的是 ４３．８％， １ ３５０ ℃级别的是 ４９．０％， １ ４５０ ℃ 级别的高于 ５２．８％。气体入口温度常常被作为燃气 轮 机 的 发 展 指 标 。 喷 气 式 飞 机 发 动 机 的 ＴＩＴ， 从 １９４０ 年的 ８００ ℃左右提高到目前的 １ ６００～１ ７００ ℃， 以每年 ２０ ℃的幅度提高， 这比发电用燃气轮机 ＴＩＴ 的提高大约提前了 １０ 年。