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厲害了，買賣這種金屬材料等同買賣軍火！

2019-03-27 16:26:21 作者：本網整理來源：網絡、知鋼、歐冶材料技術中心等分享至：

“只要發動機牛，綁上一塊木板也能飛起來。”

俄羅斯航空發動機領域大伽法沃爾斯基的這句名言廣為人知，這一理念也在米高揚設計的米格-25戰斗機上得到完美體現。和常規設計使用鋁合金不同，米格25機身大量使用了超重的不銹鋼材料。盡管空載重量已經接近20噸，但它仍能輕易突破3倍音速，這不得不歸功于它搭載的強大發動機—— R-15-300。

ps：米格25之所以使用不銹鋼，主要是因為飛行速度突破“熱障”后導致機身溫度過高，鋁合金無法承受。

航空發動機上的“超級合金”

超級合金（superalloy），又叫高溫合金，熱強合金，被大量應用在航空發動機制造中，如渦扇、燃燒室部件等。

鑒于超級合金目前的市場需求主要都是軍用產品，由于其軍工價值所以也被視為戰略物資，買賣這種材料被視為與武器貿易相同等級來加以管制，而配方與制造方法、加工使用都是重要機密，各航空大國都在極其保密的條件下研制。

超級合金有什么特點？

卓越的力學性能，耐高溫蠕變性能，出色的表面穩定性和耐腐蝕（氧化）性能。通俗地表達就是：強壯、耐高溫、耐腐蝕。

高溫合金其典型的晶體結構為面心立方奧氏體。

常見的超級合金有哪些

1）哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）

2）因科鎳合金（Inconel）

3）沃斯帕洛伊合金（Waspaloy）

4）海恩斯合金（Haynes alloy）

5）因科洛伊合金（Incoloy）

6）雷內鎳基高溫耐蝕合金（Rene alloys）

7） MP98T（由美國SPS技術公司開發，可以承受高壓氫環境，如使用氫作為燃料的火箭發動機，防止變脆）

8） TMS合金（TMS alloy，日本國家金屬材料研究所開發的單晶高溫合金）

9） CMSX單晶合金（美國Cannon-Muskegon公司開發的單晶高溫合金）。

超級合金的研發思路

超級合金的這些特點來源與化學成分和制造工藝的創新。

卓越的力學性能和高溫強度主要是通過固溶強化和析出強化達到，如γ相析出和碳化物的析出。

其耐蝕性或耐氧化性的貢獻主要來自于組成超級合金的化學元素的貢獻，例如鋁和鉻。

超級合金的分類

按基體組織分類：鐵基、鎳基和鈷基。

按生產方式分類：鑄造高溫合金、變形高溫合金和粉末高溫合金。

按強化機理分類：碳化物強化、固溶強化、時效強化和彌散強化。

超級合金的用途

這種材料一般用于航空和航海用發動機耐高溫材料的制造，特別是噴氣發動機最后兩級壓氣機和最初兩級渦輪葉片、燃燒室、加力燃燒室、渦輪盤、渦輪葉片及緊固件的制造。

中國高溫合金自成系列

變形高溫合金

用GH后面跟4位阿拉伯數字表示。

第一位是1，表示鐵基固溶強化高溫合金。

第一位是2，表示鐵基時效強化高溫合金。

第一位是3，表示鎳基固溶強化高溫合金。

第一位是4，表示鎳基時效強化高溫合金。

變形高溫合金

如果用作焊絲，在GH前添加H表示。

鑄造高溫合金

用K后面跟3位阿拉伯數字表示。

第一位是2，表示鐵基時效強化高溫合金。

第一位是4，表示鎳基時效強化高溫合金。

常見的超級合金詳情大解析

1）哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）

哈氏合金的分類

我們常說的哈氏合金，其實分為兩類產品，分別是耐高溫的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蝕的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）。

耐腐蝕哈斯特洛伊合金HASTELLOY

Hastelloy alloy是Haynes International,Inc.所生產的鎳基耐蝕合金的商業牌號的統稱。

1922年，HASTELLOY? 商標正式注冊，該名稱取自Haynes Stellite Alloy，即“HAYNES STELLITE ALLOY” = HASTELLOY。

HASTELLOY包括鎳鉬系HASTELLOY B-3合金，鎳鉻鉬系HASTELLOY C-4 合金，鉻鎳鐵系HASTELLOY G-30合金等。

HASTELLOY的屬性包括高耐持續侵蝕特性，突出的耐局部腐蝕性，卓越的耐應力腐蝕開裂性能，和易于焊接和加工的特性。（鹽酸、硫酸、磷酸等各種酸都hold的住。）除軍事用途外，目前該系列合金已廣泛應用于化工行業，也越來越多應用于能源，健康和環境，石油天然氣，制藥和廢氣脫硫工業等領域。

哈氏合金典型牌號及應用特點

2）因科鎳合金（Inconel）

因科鎳合金是英文Inconel的中文音譯，它本質上是一組奧氏體鎳-鉻基超級合金的統稱。

Inconel系列最早開發于1940年代，是英國赫里福德（Hereford, England）的威金斯合金廠（Wiggin Alloys）研發的產品，以支持惠特爾噴射引擎（Whittle jet engine）的相關研究。

該廠后來被美國的特殊金屬公司（Special Metals Corporation）收購。

因科鎳合金（Inconel）的特點

Inconel的特點和哈氏合金類似，或者說這是超級合金之所以被冠以“超級”兩字的原因：和其他金屬材料比更加耐氧化、耐腐蝕。

常見工程金屬材料（如鋼、鋁等）只要遇上高溫，往往晶體內部就開始產生晶格空穴缺陷，進而導致嚴重蠕變現象。通俗地說，就是會在高溫下結構強度下降，使制造出來的產品失去原來的功能。

舉個典型應用的例子

大家都知道航天飛機發射前必須固定在發射平臺上。怎么固定呢？用8個大型雙頭螺栓，通過機械連接來支撐整個待發射航天飛機系統的重量。

發射場通常建設在荒漠中，環境惡劣，發射時溫度也相當高，所以這8個雙頭螺栓用的可不是普通材料。它不但要有一定的強度，還要耐高溫、耐腐蝕、適應高壓高動能要求，只能使用因科鎳合金制造。

8個巨大的因科鎳螺栓用易碎螺母固定，在發射時通過爆炸物分離螺母，就能釋放發射平臺上的航天飛機了。

因科鎳合金的特性和原理

耐蝕性：

Inconel受熱時，合金表面會鈍化出一層又厚又穩定的鈍化氧化層，保護合金內部不受腐蝕。

耐高溫：

不同類別的Inconel，利用固溶強化或析出硬化的機制在高溫下維持良好機械性質。Inconel在很廣的溫度范圍內，能維持良好的力學性能。

這使得因科鎳合金適用于各種高溫、高壓的嚴苛環境。這是常見的工程金屬材料如鋼、鋁等所做不到的。

小知識

1、工程上有時簡稱Inconel為“Inco”（或誤拼為“iconel”）。常見的因科鎳625合金商標名包含：

Inconel 625, Chronin 625, Altemp 625, Haynes 625, Nickelvac 625 及 Nicrofer 6020等。

2、不同型號的Inconel有著大不相同的化學成分，然而皆由鎳為主成分，而鉻占比第二。

3、對采取析出強化或時效強化作為強化機制的這些Inconel而言，少量鈮和鎳結合，形成金屬間化合物Ni3Nb或稱為γ‘相。

γ’相會長成細小的立方晶胞，在高溫下有效阻止滑移和蠕變的進行。γ‘相會隨時間長大，特別是暴露于850℃的熱環境3小時后，并在暴露于72小時后繼續長大。

這是因科鎳耐高溫的主要原理。

因科鎳合金的應用主要介紹4個方面：用途（典型應用）、連接（比如焊接）、加工（比如削切）、典型牌號及其特點。

因科鎳合金通常使用在各種極端環境中

例如：

燃氣渦輪機：葉片，密封和燃燒室，渦輪增壓機的轉子和密封，電動潛水深井泵：馬達軸，高溫緊固件；化工和承壓容器熱交換器：管道系統；蒸汽發生器和核電站：壓水反應堆的核心部件。

各種含H2S and CO2天然氣的處理裝置。

以及

槍炮消聲器導流板；F1賽車， NASCAR, NHRA和APR, LLC的排氣系統；第三代馬自達Mazda RX7的渦輪增壓系統；配置高功率旋缸發動機的Norton摩托車排氣系統（尾氣溫度高達 1000℃）。

甚至

在垃圾焚化爐鍋爐系統中的用量也在不斷增加。

歐洲環流器和通用原子能公司DIII-D（聚變反應堆）托卡馬克真空容器也是用Inconel制造的。

Inconel 718通常用于低溫儲罐，井底軸桿和井口部件。

因科鎳合金很難進行機械加工因為其“快速的加工硬化特性”

由于因科鎳合金具有快速加工硬化的特點，采用傳統的技術首道次機加工后，加工硬化常常會使工件或第二道次加工工具發生塑性變形。

我們常說的因科鎳合金難切削，就是因為這個原因。

但這并不是不能優化規避的使用先進的刀具或其他加工工藝：

1、新型的晶須增強陶瓷刀具可用于加工鎳合金，其切割速率是常規硬質合金刀具的8倍。

2、Inconel板材通常采用水切割方法來完成。

3、Inconel制作的零件也可采用選擇性激光融化的方法來實現。

合理安排工藝流程：

1、可將大部分機加工工作在工件固溶處理后完成，僅將最后加工道次放在時效硬化后進行。

2、對于時效硬化的Inconel，例如對于718合金，機加工時使用硬質合金刀具，應采用重進刀，低切削速度，盡可能減少加工道次。

3、在固溶處理狀態下（對時效硬化合金），如外螺紋的加工可采用車削螺紋或輥壓螺紋的方式。

4、因科鎳718合金通過采用感應加熱到1300℉（704℃），晶粒尺寸不長大并完全時效后，也可采用輥壓螺紋。

帶內螺紋的孔可采用銑削螺紋，內螺紋也可采用電火花加工來實現。

PS：與機加工方法相比，鎳合金零部件成形和表面處理的方法更多選擇水射流，激光和研磨，因為這些方法更經濟。通過選擇合適的磨料硬度，磨削輪通常不受材料加工硬化的影響，并保持銳利和持久度。

因科鎳合金如何連接

部分Inconel的焊接會很困難（特別是γ’相析出硬化類合金，包括X-750和我們稍后會介紹的Waspalloy）。

這是由于焊縫熱影響區的開裂和合金元素顯微偏析造成的，當然，如625和718等合金，在設計時就已經考慮了這些并解決了焊接問題。

最常用的焊接方法是氣體保護鎢極氬弧焊和電子束焊接。近幾年來，脈沖微功率激光焊越來越多地被用于某些特定用途。

因科鎳合金的典型牌號

Inconel 600: 固溶強化型。

Inconel 625: 耐酸，焊接性能良好。低周期疲勞型625常用于波紋管。

Inconel 690: 鈷含量較低，適于核能相關應用，電阻率較低Inconel 713C: 析出硬化型鎳鉻基鑄造合金Inconel 718: 帶有γ“相強化，焊接性能好。

Inconel 751: 添加較多鋁，使其在870℃附近的高溫范圍有較好的抗破斷強度。

Inconel 792: 添加較多鋁，使其在高溫下有更加耐蝕，特別適于制造燃氣渦輪機。

Inconel 939: 以γ‘相強化增加可焊性。

PS：以析出強化或時效強化為設計概念的Inconel，加鋁和鈦的目的，通常是為了形成金屬間化合物Ni3（Ti,Al）或γ’相；γ‘相為細小立方晶胞，在高溫下可有效抑制滑移與蠕變。

3）沃斯帕洛伊合金（Waspaloy）

Waspaloy是美國聯合技術公司（United Technologies Corp）的注冊商標，它是一種時效硬化奧氏體（面心立方晶胞face-centred cubic）鎳基超級合金。Waspaloy合金的典型應用場是高溫用途，特別是應用于燃氣渦輪機上。

典型化學成分

Ni：58%，Cr：19%，Co：13%，Mo：4%，Ti：3%；Al：1.4%

化學成分表

性能

Waspaloy是一種時效硬化鎳基超級合金，在980℃（1800℉）以下具有出色的力學性能。Waspaloy的其他特征包括優良的耐腐蝕性能，耐氧化性能，適宜于在極端環境中服役。

Waspaloy合金在760-870℃ （1400-1600℉）溫度區間內仍具有相當好的強度值，以及優良的抗氧化性，可服役于溫度高達870℃（1600℉）燃氣渦輪發動機工作環境。在620-650℃（1150-1200℉）溫度范圍內，Waspaloy合金的蠕變斷裂強度明顯優于718合金。其730°C （1350°F）以下的短時熱抗拉強度劣于RA718。

物理性能

密度：0.296 lb/in3

熔化溫度：2425 - 2475℉

力學性能

典型拉伸性能，熱處理，板根據相關資料，Q345B牌號在700℃時屈服強度約為90-100MPa，而21℃時屈服強度為345-390MPa。在700℃高溫下，Q345B力學性能下降60%以上，但沃斯帕洛伊合金僅下降不到13%，可見其良好的耐高溫性能。

典型蠕變斷裂強度，熱處理，板- 在所列時間的斷裂應力值。

相應材料技術規范

AMS 5544, AMS 5708, AMS 5828

EN 2.4654

UNS N07001

Werkstoff 2.4654

用途

Waspaloy通常使用在極端環境中。常見應用包括：燃氣渦輪機的葉片，密封，環，軸和渦輪盤。由美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）認證的標準物質1243，作為X射線熒光光譜儀（XRF：X-ray fluorescence spectroscopy）的一種標樣，就是用Waspaloy合金制作的。

英國飛機公司（British Aircraft Corporation，BAC）的TSR-2，一種1950年代后期開始研制的超音速攻擊機，其機身后部排氣噴嘴四周有一個整流罩，由于這個區域的高溫特點，該整流罩是用 Waspaloy制作成形的，并且不進行噴涂。這種合金的加工制作被描述為”非常棘手“，它是由布里斯托爾（Bristol）的發動機專家團隊負責實施的，而非由的飛機機身制造商BAC來完成。

TSR-2尾部，顯示了未涂裝的Waspaloy金整流罩（Tail of TSR-2, showing the unpainted Waspaloy fairing）

4）海恩斯合金（Haynes alloy）

我們常說的哈氏合金，其實分為兩類產品，分別是耐高溫的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蝕的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金（Hastelloy）。

耐高溫海恩斯合金（Haynes alloy）

海恩斯合金的特點是耐高溫，非常耐高溫，以海恩斯合金中的牌號HAYNES? 214? 為例，具有高達2200°F （1204°C）的超級抗氧化性能。

1204℃是個什么概念呢？大家知道，鋼的熔點大約在1500℃左右，而我們常說的熱軋工藝是把鋼坯加熱到大約1200~1300℃左右，然后把鋼坯像面團一樣搟薄。

也就是說海恩斯合金的工作極限溫度非常高，這個溫度下普通的低碳鋼已經像面條一樣柔軟，不具備基本的結構強度。

鑒于這一超級抗氧化性能，海恩斯合金不單被應用在航天港空工業中，在陶瓷，金屬加工，汽車和電子行業，甚至鋼廠的設備中都有廣泛應用。

5）因科洛伊合金（Incoloy）

上面我們介紹了因科鎳合金，同樣也是屬于美國的特殊金屬集團商標的，還有一個低成本的超級合金犀利——因科洛伊合金Incoloy? 。

什么是因科洛伊合金

Incoloy合金是特殊金屬公司集團（Special Metals Corporation group of companies）生產并商標注冊的一系列超級合金產品。

Incoloy因科洛伊合金大部分可歸類為鎳基系合金，具有超常的耐蝕性和高溫強度，對于某種特定的化學物質的侵蝕可選用特定的Incoloy。

例如：

020 合金適用于耐硫酸腐蝕的場合，而DS合金適用于爐內為反應性氣氛，且熱循環次數較多的熱處理爐部件。

因科洛伊合金的特點

由于Incoloy合金的Fe含量較高，成本相對較低，使它成為非臨界高溫應用場景下的理想材料。它的另外一個特點是相對較好可加工性。用戶可直接使用原用于加工不銹鋼材料的機器和加工工藝對其進行加工處理。

Incoloy合金對海水、鹵水、酸氣和高氯離子環境的高耐受性，使其成為石油天然氣工業最受歡迎的一種材料。Incoloy?合金是目前最嚴苛化學環境中使用得最多的材料，它的應用場景包含但不限于：各類酸的處理，濕法洗滌，核燃料和反應性氣氛的工業爐。

因克洛伊合金在我們鋼鐵行業中也有大量應用如爐輥、輻射管、燒嘴等等由于Incoloy合金類型較多，此處挑選了幾個比較典型的Incoloy合金做一簡單介紹。詳見下圖

6）雷內鎳基高溫耐蝕合金（Rene alloys）

鎳基高溫合金指的是以鎳為基體（含量一般大于50%）在650～1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。

隨著計算機信息技術的發展，計算機在Ni基高溫合金的工藝控制中扮演了重要角色，如Rene第3代合金在研制過程中就采用計算機進行成分演算、統計篩分、成分優化等工序。近年來，除了合金耐高溫、耐腐蝕、耐氧化、抗蠕變、機械強度等綜合性能外，相關核心技術也重視合金與環境的協調性、減少維護、擴展材料的使用壽命、以及減小合金的制備成本等方面。

7） MP98T（由美國SPS技術公司開發，可以承受高壓氫環境，如使用氫作為燃料的火箭發動機，防止變脆）

美國SPS技術公司成立于1903年，是一家技術領先的高強度緊固件與精密零部件制造廠商。最近，SPS公司新推出了一種由超合金制成的緊固件，并命名為SPSMP98T^TM，這種新材料集高強度、高韌度與防腐蝕特點于一體，其性能遠遠高于以前的緊固件材料。SPSMP98T材料的最小抗拉強度為1241MPa，經ASTME1820樣品測試，MP98T材料的普通斷裂韌度值超過1379MPa。MP98T中的合金可以承受高壓氫環境（例如使用氫作為燃料的火箭發動機等），防止變脆。MP98T緊固件強度高，斷裂韌度前所未有，因此，是飛機發動機及機身的理想零部件。

8） TMS合金（TMS alloy，日本國家金屬材料研究所開發的單晶高溫合金）

TMS（Tokoyo Meguro Single）合金，日本國立材料研究所（NIMS）在此項技術中是非常著名的，雖然小編也是抗日份子，但這方面不得不說他領先。

關于NIMS

日本國立材料研究所（National Institute for Material Science：NIMS）是日本最大的研究所之一，它由國立金屬材料技術研究所（NRIM）和國立無機材料研究所（NIRIM）合并而來。NIMS主要進行材料的合成，表征和應用的研究，包括金屬，半導體，超導體，陶瓷，有機材料，和納米材料等等。涵蓋了電子，光學，涂料，燃料電池，催化劑，生物技術等范圍的應用。同時發展了電子顯微鏡，高能離子束，強磁場等技術。大多數研究是實驗性研究，但至少有一個研究中心，致力于理論研究。

TMS系列單晶

TMS（Tokoyo Meguro Single）是NIMS開發的鎳基單晶高溫合金系列。近年來，NIMS相繼成功研制第四、第五、第六代單晶合金TMS-138，TMS-162，TMS196，TMS-238等，在鎳基單晶高溫合金的研發領域，走在了世界的前列。

表1 TMS物理、力學性能和工藝特點

日本NIMS開發的TMS系列單晶成功進行了系列化的發展，TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196，TMS-238。

TMS-82+是NIMS和東芝公司合作開發的單晶，相比同代的CMSX-4單晶，在蠕變應力近137.3MPa下承溫能力提高30℃，熱處理窗口寬有利于進行熱處理，同時具有良好的高溫抗腐蝕能力和相穩定性，相比第三代單晶TMS-75具有更多連續的γ′竹筏結構和更細小的位錯網絡，有效降低蠕變應變率。此外，TMS-82+具有良好的低周疲勞強度，具有與CMSX-4相當的抗氧化性能。通過1年15MW 發動機試車考核，該單晶葉片表面無損傷，保持良好的相穩定性，無竹筏結構。

TMS-75是NIMS和KHI（川崎重工）合作開發的單晶，中溫到高溫段具有優良的蠕變強度，并且具有良好的抗熱腐蝕能力。

TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI（石川島播磨重工）合作開發的單晶，兩者都具有良好的高溫蠕變強度、微觀組織穩定性和抗熱腐蝕能力。

TMS-196是NIMS獨立開發的單晶，該合金不僅具有良好的微觀組織穩定性，同時具有良好的綜合性能，包括蠕變性能、熱機械疲勞和抗氧化能力。相比第二、三代單晶，第四、五代單晶提高了高熔點元素含量，如Mo、Re和Ru，雖然極大提升了蠕變性能，但是降低了抗氧化性能。第六代單晶TMS-238在第五代單晶TMS-196基礎上優化了成分，呈現出良好的高溫蠕變強度和抗氧化性能。

TMS系列單晶的特點在于熱處理窗口非常寬，有助于大尺寸零件的熱處理。另一個特點在于Mo含量高，形成γ／γ′界面上細小的位錯網絡，有效提高了蠕變性能。

9） CMSX單晶合金（美國Cannon-Muskegon公司開發的單晶高溫合金）

葉片是飛機發動機的重要零部件，不管是星條旗，還是伏特加，都在葉片制造等技術上一直封鎖我國。很多網友抱怨，我國是世界第一的產鋼大國，為何卻不能造出好的葉片用鋼，其實那不是鋼，而是單晶合金。

眾所周知，增強渦輪葉片的承溫能力可直接提高渦輪進口溫度，而提高渦輪進口溫度是提高航空發動機效率的有效方法。20世紀70年代后期，單晶高溫合金由于其優良的熱阻特性，被引入到商業航空燃氣噴氣發動機渦輪葉片中。采用單晶合金發動機的燃油效率比采用定向合金提高30％以上，壽命大大延長。最新航空發動機的渦輪進口溫度高達1777℃，見表2。

表2 國外航空發動機的發展歷程

例如，采用第三代單晶合金作為葉片材料的推重比為10的F119發動機渦輪進口溫度為1677℃，比采用定向合金的推重比為8的F100發動機渦輪進口溫度（1370℃）提高了307℃。

F-119-PW-100

美歐等國的單晶高溫合金應用研究已比較成熟，并在民用航空發動機上得到了廣泛應用，單晶合金應用的相關發動機型號與機型如表2所示，尤其是第二代單晶葉片的工程化應用技術，目前正在服役的單晶葉片零件估計超過百萬件。

由表3中單晶合金的應用情況總結得出，Pratt & Whitney（P&W公司）與IAE（P&W,RR,JACE,MTU合資公司）系列發動機主要采用PWA系列單晶合金，GE和CFM（GE，SNECM合資公司）系列發動機主要采用René系列單晶合金，Rolls-Royce（RR公司）Trent系列發動機主要采用CMSX系列單晶合金。

表3單晶高溫合金葉片在航空發動機中的應用