俄罗斯航空发动机领域大伽 法沃尔斯基 的这句名言广为人知，这一理念也在米高扬设计的米格-25战斗机上得到完美体现。和常规设计使用铝合金不同，米格25机身大量使用了超重的不锈钢材料。尽管空载重量已经接近20吨，但它仍能轻易突破3倍音速，这不得不归功于它搭载的强大发动机—— R-15-300。

 

ps：米格25之所以使用不锈钢，主要是因为飞行速度突破“热障”后导致机身温度过高，铝合金无法承受。

航空发动机上的“超级合金”

超级合金（superalloy），又叫高温合金，热强合金，被大量应用在航空发动机制造中，如涡扇、燃烧室部件等。

 

鉴于超级合金目前的市场需求主要都是军用产品，由于其军工价值所以也被视为战略物资，买卖这种材料被视为与武器贸易相同等级来加以管制，而配方与制造方法、加工使用都是重要机密，各航空大国都在极其保密的条件下研制。

超级合金有什么特点？

卓越的力学性能，耐高温蠕变性能，出色的表面稳定性和耐腐蚀（氧化）性能。通俗地表达就是：强壮、耐高温、耐腐蚀。

高温合金其典型的晶体结构为面心立方奥氏体。

常见的超级合金有哪些

 

1） 哈斯特洛伊耐蚀镍基合金（Hastelloy）

2） 因科镍合金（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） 雷内镍基高温耐蚀合金（Rene alloys）

7） MP98T（由美国SPS技术公司开发，可以承受高压氢环境，如使用氢作为燃料的火箭发动机，防止变脆）

8） TMS合金（TMS alloy，日本国家金属材料研究所开发的单晶高温合金）

9） CMSX单晶合金（美国Cannon-Muskegon公司开发的单晶高温合金）。

超级合金的研发思路

 

超级合金的这些特点来源与化学成分和制造工艺的创新。

卓越的力学性能和高温强度主要是通过固溶强化和析出强化达到，如γ相析出和碳化物的析出。

其耐蚀性或耐氧化性的贡献主要来自于组成超级合金的化学元素的贡献，例如铝和铬。

超级合金的分类

 

按基体组织分类：铁基、镍基和钴基。

按生产方式分类：铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。

按强化机理分类：碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。

超级合金的用途

 

这种材料一般用于航空和航海用发动机耐高温材料的制造，特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。

中国高温合金自成系列

 

变形高温合金

 

用GH后面跟4位阿拉伯数字表示。

第一位是1，表示铁基固溶强化高温合金。

第一位是2，表示铁基时效强化高温合金。

第一位是3，表示镍基固溶强化高温合金。

第一位是4，表示镍基时效强化高温合金。

变形高温合金

 

如果用作焊丝，在GH前添加H表示。

铸造高温合金

 

用K后面跟3位阿拉伯数字表示。

第一位是2，表示铁基时效强化高温合金。

第一位是4，表示镍基时效强化高温合金。

常见的超级合金详情大解析

 

1） 哈斯特洛伊耐蚀镍基合金（Hastelloy）

 

哈氏合金的分类

 

我们常说的哈氏合金，其实分为两类产品，分别是耐高温的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蚀的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金（Hastelloy）。

耐腐蚀哈斯特洛伊合金HASTELLOY

Hastelloy alloy是Haynes International,Inc.所生产的镍基耐蚀合金的商业牌号的统称。

1922年，HASTELLOY? 商标正式注册，该名称取自Haynes Stellite Alloy，即“HAYNES STELLITE ALLOY” = HASTELLOY。

 

HASTELLOY包括镍钼系HASTELLOY B-3合金，镍铬钼系HASTELLOY C-4 合金，铬镍铁系HASTELLOY G-30合金等。

HASTELLOY的属性包括高耐持续侵蚀特性，突出的耐局部腐蚀性， 卓越的耐应力腐蚀开裂性能，和易于焊接和加工的特性。（盐酸、硫酸、磷酸等各种酸都hold的住。）除军事用途外，目前该系列合金已广泛应用于化工行业，也越来越多应用于能源，健康和环境，石油天然气，制药和废气脱硫工业等领域。

哈氏合金典型牌号及应用特点

 

 

2） 因科镍合金（Inconel）

 

因科镍合金是英文Inconel的中文音译，它本质上是一组 奥氏体 镍-铬基 超级合金的统称。

Inconel系列最早开发于1940年代，是英国赫里福德 （Hereford, England）的威金斯合金厂（Wiggin Alloys）研发的产品，以支持惠特尔喷射引擎（Whittle jet engine）的相关研究。

该厂后来被美国的特殊金属公司（Special Metals Corporation）收购。

因科镍合金（Inconel）的特点

 

Inconel的特点和哈氏合金类似，或者说这是超级合金之所以被冠以“超级”两字的原因：和其他金属材料比更加耐氧化、耐腐蚀。

常见工程金属材料（如钢、铝等）只要遇上高温，往往晶体内部就开始产生晶格空穴缺陷，进而导致严重蠕变现象。通俗地说，就是会在高温下结构强度下降，使制造出来的产品失去原来的功能。

 

举个典型应用的例子

 

大家都知道航天飞机发射前必须固定在发射平台上。怎么固定呢？用8个大型双头螺栓，通过机械连接来支撑整个待发射航天飞机系统的重量。

发射场通常建设在荒漠中，环境恶劣，发射时温度也相当高，所以这8个双头螺栓用的可不是普通材料。它不但要有一定的强度，还要耐高温、耐腐蚀、适应高压高动能要求，只能使用因科镍合金制造。

8个巨大的因科镍螺栓用易碎螺母固定，在发射时通过爆炸物分离螺母，就能释放发射平台上的航天飞机了。

 

因科镍合金的特性和原理

 

耐蚀性：

Inconel受热时，合金表面会钝化出一层又厚又稳定的钝化氧化层，保护合金内部不受腐蚀。

耐高温：

不同类别的Inconel，利用固溶强化或析出硬化的机制在高温下维持良好机械性质。Inconel在很广的温度范围内，能维持良好的力学性能。

这使得因科镍合金适用于各种高温、高压的严苛环境。这是常见的工程金属材料如钢、铝等所做不到的。

小知识

 

1、工程上有时简称Inconel为“Inco”（或误拼为“iconel”）。常见的因科镍625合金商标名包含：

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

2、不同型号的Inconel有着大不相同的化学成分，然而皆由镍为主成分，而铬占比第二。

3、对采取析出强化或时效强化作为强化机制的这些Inconel而言，少量铌和镍结合，形成金属间化合物Ni3Nb或称为γ‘相。

γ’相会长成细小的立方晶胞，在高温下有效阻止滑移和蠕变的进行。γ‘相会随时间长大，特别是暴露于850℃的热环境3小时后，并在暴露于72小时后继续长大。

这是因科镍耐高温的主要原理。

因科镍合金的应用主要介绍4个方面：用途（典型应用）、连接（比如焊接）、加工（比如削切）、典型牌号及其特点。

因科镍合金通常使用在各种极端环境中

 

例如：

燃气涡轮机：叶片，密封和燃烧室，涡轮增压机的转子和密封，电动潜水深井泵：马达轴，高温紧固件；化工和承压容器热交换器：管道系统；蒸汽发生器和核电站：压水反应堆的核心部件。

各种含H2S and CO2天然气的处理装置。

以及

 

枪炮消声器导流板；F1赛车， NASCAR, NHRA和APR, LLC的排气系统；第三代马自达Mazda RX7的涡轮增压系统；配置高功率旋缸发动机的Norton摩托车排气系统（尾气温度高达 1000℃）。

甚至

 

在垃圾焚化炉锅炉系统中的用量也在不断增加。

欧洲环流器和通用原子能公司DIII-D（聚变反应堆）托卡马克真空容器也是用Inconel制造的。

Inconel 718通常用于低温储罐，井底轴杆和井口部件。

因科镍合金很难进行机械加工因为其“快速的加工硬化特性”

由于因科镍合金具有快速加工硬化的特点，采用传统的技术首道次机加工后，加工硬化常常会使工件或第二道次加工工具发生塑性变形。

我们常说的因科镍合金难切削，就是因为这个原因。

但这并不是不能优化规避的使用先进的刀具或其他加工工艺：

1、新型的晶须增强陶瓷刀具可用于加工镍合金，其切割速率是常规硬质合金刀具的8倍。

2、Inconel板材通常采用水切割方法来完成。

3、Inconel制作的零件也可采用选择性激光融化的方法来实现。

合理安排工艺流程：

1、可将大部分机加工工作在工件固溶处理后完成，仅将最后加工道次放在时效硬化后进行。

2、对于时效硬化的Inconel，例如对于718合金，机加工时使用硬质合金刀具，应采用重进刀，低切削速度，尽可能减少加工道次。

3、在固溶处理状态下（对时效硬化合金），如外螺纹的加工可采用车削螺纹或辊压螺纹的方式。

4、因科镍718合金通过采用感应加热到1300℉（704℃），晶粒尺寸不长大并完全时效后，也可采用辊压螺纹。

带内螺纹的孔可采用铣削螺纹，内螺纹也可采用电火花加工来实现。

PS：与机加工方法相比，镍合金零部件成形和表面处理的方法更多选择水射流，激光和研磨，因为这些方法更经济。通过选择合适的磨料硬度，磨削轮通常不受材料加工硬化的影响，并保持锐利和持久度。

因科镍合金如何连接

 

部分Inconel的焊接会很困难（特别是γ’相析出硬化类合金，包括X-750和我们稍后会介绍的Waspalloy）。

这是由于焊缝热影响区的开裂和合金元素显微偏析造成的，当然，如625和718等合金，在设计时就已经考虑了这些并解决了焊接问题。

最常用的焊接方法是气体保护钨极氩弧焊和电子束焊接。近几年来，脉冲微功率激光焊越来越多地被用于某些特定用途。

因科镍合金的典型牌号

 

Inconel 600: 固溶强化型。

Inconel 625: 耐酸，焊接性能良好。低周期疲劳型625常用于波纹管。

Inconel 690: 钴含量较低，适于核能相关应用，电阻率较低Inconel 713C: 析出硬化型镍铬基铸造合金Inconel 718: 带有γ“相强化，焊接性能好。

Inconel 751: 添加较多铝，使其在870℃附近的高温范围有较好的抗破断强度。

Inconel 792: 添加较多铝，使其在高温下有更加耐蚀，特别适于制造燃气涡轮机。

Inconel 939: 以γ‘相强化增加可焊性。

PS：以析出强化或时效强化为设计概念的Inconel，加铝和钛的目的，通常是为了形成金属间化合物Ni3（Ti,Al）或γ’相；γ‘相为细小立方晶胞，在高温下可有效抑制滑移与蠕变。

 

3） 沃斯帕洛伊合金（Waspaloy）

 

Waspaloy是美国联合技术公司（United Technologies Corp）的注册商标，它是一种时效硬化奥氏体（面心立方晶胞face-centred cubic）镍基超级合金。Waspaloy合金的典型应用场是高温用途，特别是应用于燃气涡轮机上。

典型化学成分

 

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

 

化学成分表

 

性能

 

Waspaloy是一种时效硬化镍基超级合金，在980℃（1800℉）以下具有出色的力学性能。Waspaloy的其他特征包括优良的耐腐蚀性能，耐氧化性能，适宜于在极端环境中服役。

Waspaloy合金在760-870℃ （1400-1600℉）温度区间内仍具有相当好的强度值，以及优良的抗氧化性，可服役于温度高达870℃（1600℉）燃气涡轮发动机工作环境。在620-650℃（1150-1200℉）温度范围内，Waspaloy合金的蠕变断裂强度明显优于718合金。其730°C （1350°F）以下的短时热抗拉强度劣于RA718。

物理性能

 

密度：0.296 lb/in3

 

熔化温度：2425 - 2475℉

 

 

力学性能

 

典型拉伸性能，热处理，板根据相关资料，Q345B牌号在700℃时屈服强度约为90-100MPa，而21℃时屈服强度为345-390MPa。在700℃高温下，Q345B力学性能下降60%以上，但沃斯帕洛伊合金仅下降不到13%，可见其良好的耐高温性能。

 

典型蠕变断裂强度，热处理，板- 在所列时间的断裂应力值。

 

 

相应材料技术规范

 

AMS 5544, AMS 5708, AMS 5828

EN 2.4654

UNS N07001

Werkstoff 2.4654

 

用途

 

Waspaloy通常使用在极端环境中。常见应用包括：燃气涡轮机的叶片，密封，环，轴和涡轮盘。由美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）认证的标准物质1243，作为X射线荧光光谱仪（XRF：X-ray fluorescence spectroscopy）的一种标样，就是用Waspaloy合金制作的。

英国飞机公司（British Aircraft Corporation，BAC）的TSR-2，一种1950年代后期开始研制的超音速攻击机，其机身后部排气喷嘴四周有一个整流罩，由于这个区域的高温特点，该整流罩是用 Waspaloy制作成形的，并且不进行喷涂。这种合金的加工制作被描述为”非常棘手“，它是由布里斯托尔（Bristol）的发动机专家团队负责实施的，而非由的飞机机身制造商BAC来完成。

 

TSR-2尾部，显示了未涂装的Waspaloy金整流罩（Tail of TSR-2, showing the unpainted Waspaloy fairing）

 

4） 海恩斯合金（Haynes alloy）

 

我们常说的哈氏合金，其实分为两类产品，分别是耐高温的海恩斯合金（Haynes alloy）和耐腐蚀的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金（Hastelloy）。

耐高温海恩斯合金（Haynes alloy）

 

海恩斯合金的特点是耐高温，非常耐高温，以海恩斯合金中的牌号HAYNES? 214? 为例，具有高达2200°F （1204°C）的超级抗氧化性能。

1204℃是个什么概念呢？大家知道，钢的熔点大约在1500℃左右，而我们常说的热轧工艺是把钢坯加热到大约1200~1300℃左右，然后把钢坯像面团一样擀薄。

也就是说海恩斯合金的工作极限温度非常高，这个温度下普通的低碳钢已经像面条一样柔软，不具备基本的结构强度。

鉴于这一超级抗氧化性能，海恩斯合金不单被应用在航天港空工业中，在陶瓷，金属加工，汽车和电子行业，甚至钢厂的设备中都有广泛应用。

 

5） 因科洛伊合金（Incoloy）

 

上面我们介绍了因科镍合金，同样也是属于美国的特殊金属集团商标的，还有一个低成本的超级合金犀利——因科洛伊合金Incoloy? 。

什么是因科洛伊合金

 

Incoloy合金是特殊金属公司集团（Special Metals Corporation group of companies）生产并商标注册的一系列超级合金产品。

Incoloy因科洛伊合金大部分可归类为镍基系合金，具有超常的耐蚀性和高温强度，对于某种特定的化学物质的侵蚀可选用特定的Incoloy。

例如：

020 合金适用于耐硫酸腐蚀的场合，而DS合金适用于炉内为反应性气氛，且热循环次数较多的热处理炉部件。

因科洛伊合金的特点

 

由于Incoloy合金的Fe含量较高，成本相对较低，使它成为非临界高温应用场景下的理想材料。它的另外一个特点是相对较好可加工性。用户可直接使用原用于加工不锈钢材料的机器和加工工艺对其进行加工处理。

Incoloy合金对海水、卤水、酸气和高氯离子环境的高耐受性，使其成为石油天然气工业最受欢迎的一种材料。Incoloy?合金是目前最严苛化学环境中使用得最多的材料，它的应用场景包含但不限于：各类酸的处理，湿法洗涤，核燃料和反应性气氛的工业炉。

因克洛伊合金在我们钢铁行业中也有大量应用如炉辊、辐射管、烧嘴等等由于Incoloy合金类型较多，此处挑选了几个比较典型的Incoloy合金做一简单介绍。详见下图

 

 

6） 雷内镍基高温耐蚀合金（Rene alloys）

 

镍基高温合金指的是以镍为基体（含量一般大于50%） 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。

随着计算机信息技术的发展，计算机在Ni基高温合金的工艺控制中扮演了重要角色，如Rene第3代合金在研制过程中就采用计算机进行成分演算、统计筛分、成分优化等工序。近年来，除了合金耐高温、耐腐蚀、耐氧化、抗蠕变、机械强度等综合性能外，相关核心技术也重视合金与环境的协调性、减少维护、扩展材料的使用寿命、以及减小合金的制备成本等方面。

7） MP98T（由美国SPS技术公司开发，可以承受高压氢环境，如使用氢作为燃料的火箭发动机，防止变脆）

 

美国SPS技术公司成立于1903年，是一家技术领先的高强度紧固件与精密零部件制造厂商。最近，SPS公司新推出了一种由超合金制成的紧固件，并命名为SPSMP98T^TM，这种新材料集高强度、高韧度与防腐蚀特点于一体，其性能远远高于以前的紧固件材料。SPSMP98T材料的最小抗拉强度为1241MPa，经ASTME1820样品测试，MP98T材料的普通断裂韧度值超过1379MPa。MP98T中的合金可以承受高压氢环境（例如使用氢作为燃料的火箭发动机等），防止变脆。MP98T紧固件强度高，断裂韧度前所未有，因此，是飞机发动机及机身的理想零部件。

 

8） TMS合金（TMS alloy，日本国家金属材料研究所开发的单晶高温合金）

 

TMS（Tokoyo Meguro Single）合金，日本国立材料研究所（NIMS）在此项技术中是非常着名的，虽然小编也是抗日份子，但这方面不得不说他领先。

关于NIMS

 

日本国立材料研究所（National Institute for Material Science：NIMS）是日本最大的研究所之一，它由国立金属材料技术研究所（NRIM）和国立无机材料研究所（NIRIM）合并而来。NIMS主要进行材料的合成，表征和应用的研究，包括金属，半导体，超导体，陶瓷，有机材料，和纳米材料等等。涵盖了电子，光学，涂料，燃料电池，催化剂，生物技术等范围的应用。同时发展了电子显微镜，高能离子束，强磁场等技术。大多数研究是实验性研究，但至少有一个研究中心，致力于理论研究。

TMS系列单晶

 

TMS（Tokoyo Meguro Single）是NIMS开发的镍基单晶高温合金系列。近年来，NIMS相继成功研制第四、第五、第六代单晶合金TMS-138，TMS-162，TMS196，TMS-238等，在镍基单晶高温合金的研发领域，走在了世界的前列。

表1 TMS物理、力学性能和工艺特点

 

日本NIMS开发的TMS系列单晶成功进行了系列化的发展，TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196，TMS-238。

TMS-82+是NIMS和东芝公司合作开发的单晶，相比同代的CMSX-4单晶，在蠕变应力近137.3MPa下承温能力提高30℃，热处理窗口宽有利于进行热处理，同时具有良好的高温抗腐蚀能力和相稳定性，相比第三代单晶TMS-75具有更多连续的γ′竹筏结构和更细小的位错网络，有效降低蠕变应变率。此外，TMS-82+具有良好的低周疲劳强度，具有与CMSX-4相当的抗氧化性能。通过1年15MW 发动机试车考核，该单晶叶片表面无损伤，保持良好的相稳定性，无竹筏结构。

TMS-75是NIMS和KHI（川崎重工）合作开发的单晶，中温到高温段具有优良的蠕变强度，并且具有良好的抗热腐蚀能力。

TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI（石川岛播磨重工）合作开发的单晶，两者都具有良好的高温蠕变强度、微观组织稳定性和抗热腐蚀能力。

TMS-196是NIMS独立开发的单晶，该合金不仅具有良好的微观组织稳定性，同时具有良好的综合性能，包括蠕变性能、热机械疲劳和抗氧化能力。相比第二、三代单晶，第四、五代单晶提高了高熔点元素含量，如Mo、Re和Ru，虽然极大提升了蠕变性能，但是降低了抗氧化性能。第六代单晶TMS-238在第五代单晶TMS-196基础上优化了成分，呈现出良好的高温蠕变强度和抗氧化性能。

 

TMS系列单晶的特点在于热处理窗口非常宽，有助于大尺寸零件的热处理。另一个特点在于Mo含量高，形成γ／γ′界面上细小的位错网络，有效提高了蠕变性能。

9） CMSX单晶合金（美国Cannon-Muskegon公司开发的单晶高温合金）

 

叶片是飞机发动机的重要零部件，不管是星条旗，还是伏特加，都在叶片制造等技术上一直封锁我国。很多网友抱怨，我国是世界第一的产钢大国，为何却不能造出好的叶片用钢，其实那不是钢，而是单晶合金。

众所周知，增强涡轮叶片的承温能力可直接提高涡轮进口温度，而提高涡轮进口温度是提高航空发动机效率的有效方法。20世纪70年代后期，单晶高温合金由于其优良的热阻特性，被引入到商业航空燃气喷气发动机涡轮叶片中。采用单晶合金发动机的燃油效率比采用定向合金提高30％以上，寿命大大延长。最新航空发动机的涡轮进口温度高达1777℃，见表2。

表2 国外航空发动机的发展历程

 

例如，采用第三代单晶合金作为叶片材料的推重比为10的F119发动机涡轮进口温度为1677℃，比采用定向合金的推重比为8的F100发动机涡轮进口温度（1370℃）提高了307℃。

 

F-119-PW-100

 

美欧等国的单晶高温合金应用研究已比较成熟，并在民用航空发动机上得到了广泛应用，单晶合金应用的相关发动机型号与机型如表2所示，尤其是第二代单晶叶片的工程化应用技术，目前正在服役的单晶叶片零件估计超过百万件。

由表3中单晶合金的应用情况总结得出，Pratt & Whitney（P&W公司）与IAE（P&W,RR,JACE,MTU合资公司）系列发动机主要采用PWA系列单晶合金，GE和CFM（GE，SNECM合资公司）系列发动机主要采用René系列单晶合金，Rolls-Royce（RR公司）Trent系列发动机主要采用CMSX系列单晶合金。

表3单晶高温合金叶片在航空发动机中的应用

 

René系列单晶的专利权人是GE公司，由第一代单晶RenéN4发展到第二代单晶RenéN5和第三代单晶RenéN6。

CMSX系列单晶的专利权人是Cannon-Muskegon公司，由第一代单晶CMSX-3发展到第二代单晶CMSX-4和第三代单晶CMSX-10。

RR公司开发的单晶RR3000和RR3010在美国的Cannon-Muskegon公司生产，按美国惯例需冠上该生产单位的品牌名，命名为CMSX-10K和CMSX-10N，产品验收采用RR公司的企业标准。

PWA系列单晶的专利权人是美国联合技术公司，被P&W公司收购，由第一代PWA1480发展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。

 

PW4000发动机

 

第四代、第五代单晶的发展以TMS系列单晶为代表。TMS系列单晶是由NIMS研究所研制的。2006年，RR公司在日本NIMS建立航空先进材料研究室，与NIMS联合开发单晶材料。

单晶的承温能力一般以137MPa/1000h蠕变断裂为标准进行判断，第二代单晶承温能力大致为1040℃，相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了25～30 ℃，每提高25～30℃相当于延长叶片寿命3倍。