高溫合金按基體組織材料可分為三類：鐵基鎳基和鉻基。按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。
它是航空航天領域中不可或缺的原材。它是航天，航空制造發(fā)動機高溫部分的關鍵材料。主要用于制造燃燒室，渦輪葉片，導向葉片，壓氣機與渦輪盤，渦輪機匣等部位。使用溫度范圍在600℃-1200℃，受力與環(huán)境條件隨使用零件所在部分不同而異，對合金的力學，物理，化學性能有嚴格的要求，是發(fā)動機的性能，可靠性與壽命的決定性因素。因此高溫合金是各發(fā)達國家航空航天，國防領域中的研究重點項目之一。
高溫合金按基體組織材料可分為三類：鐵基鎳基和鉻基。按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。
它是航空航天領域中不可或缺的原材。它是航天，航空制造發(fā)動機高溫部分的關鍵材料。主要用于制造燃燒室，渦輪葉片，導向葉片，壓氣機與渦輪盤，渦輪機匣等部位。使用溫度范圍在600℃-1200℃，受力與環(huán)境條件隨使用零件所在部分不同而異，對合金的力學，物理，化學性能有嚴格的要求，是發(fā)動機的性能，可靠性與壽命的決定性因素。因此高溫合金是各發(fā)達國家航空航天，國防領域中的研究重點項目之一。
高溫合金應用中主要有：
1.燃燒室用高溫合金
航空渦輪發(fā)動機燃燒室(也稱火焰筒)是關鍵的高溫部件之一。由于燃油霧化，油氣混合等過程都是在燃燒室進行的，因此燃燒室內(nèi)溫度最高可達1500℃-2000℃，燃燒室內(nèi)壁溫度達1100℃，同時還要承受熱應力和燃氣應力。高推重比發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室，其長度短，容熱強度高，燃燒室內(nèi)最高溫溫度達2000℃，采用氣膜或汽蒸發(fā)式冷卻后室壁溫度達到1150℃。各部位間有較大的溫度梯度會產(chǎn)生熱應力，工作狀態(tài)改變時會急劇升降，材料受熱沖擊和熱疲勞負荷，出現(xiàn)擾曲變形，裂紋等故障。通常燃燒室采用板材合金制造,按具體零件使用條件提出各項技術(shù)要求概括如下：使用高溫合金和燃氣條件下具有一定的抗氧化，抗燃氣腐蝕能力;具有一定瞬時和持久強度，熱疲勞性能，較低的膨脹系數(shù);具有足夠的塑性，焊接性保證加工成形與連接;在熱循環(huán)下有良好的組織穩(wěn)定性，保證壽命期內(nèi)可靠工作。
1)MA956合金多孔層板
多孔層板早期使用HS-188合金薄板經(jīng)照相，腐蝕刻槽和打孔后用擴散連接制成。內(nèi)層可按設計要求制成理想的冷卻通道，這種結(jié)構(gòu)冷卻只需要傳統(tǒng)氣膜冷卻的30%冷卻氣體，可提高發(fā)動機熱循環(huán)效率，降低燃燒室材料的實際承熱量，減輕重量，增大推重比。目前仍有突破技術(shù)關鍵才能進入實際使用。采用MA956制作多孔層板是美國推出的新一代燃燒室材料，可在1300℃使用。
2)陶瓷復合材料在燃燒室的應用
美國從1971年就開始了對陶瓷用于燃氣渦輪機的可行性驗證。1983年，美國一些從事高級材料開發(fā)的團體曾制訂了一系列先進飛機所用燃氣輪機的性能指標，這些指標是：把渦輪進口溫度提高到2200℃;在化學計算的燃燒狀態(tài)下運行;將應用于這些部件的密度從8g/cm3減少至5g/cm3;取消部件的冷卻。為滿足這些要求，研究的材料除了單相陶瓷外，還有石墨、金屬基和陶瓷基復合材料以及金屬間化合物。陶瓷基復合材料(CMC)具有如下優(yōu)勢：
陶瓷材料比鎳基合金膨脹系數(shù)小很多，涂層很容易剝落。制成帶中間金屬氈的陶瓷復合材料可以克服剝落的缺點，是燃燒室材料的發(fā)展方向。此種材料使用10%—20%冷卻空氣即可使用金屬背面隔熱后溫度只有800℃左右，承熱溫度遠低于發(fā)散冷卻和氣膜冷卻。在V2500發(fā)動機中使用的是鑄造高溫合金B(yǎng)1900+陶瓷涂層防護瓦片，發(fā)展的方向是用SiC基復合材料或抗氧化C/C復合材料代替B1900(帶陶瓷涂層)瓦片。陶瓷基復合材料是推重比15—20發(fā)動機燃燒室的發(fā)展材料，使用溫度1538℃-1650℃，用于火焰筒，浮壁片和加力燃燒室。
2.渦輪部分用高溫合金
航空發(fā)動機渦輪葉片是航空發(fā)動機中承受溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境最惡劣的部件之一，在高溫下要承受很大很復雜的應力，因此對其材料的要求十分嚴格。而航空發(fā)動機渦輪葉片高溫合金又分為：
1)導向器用高溫合金
導向器是渦輪發(fā)動機受熱沖擊最大的零件之一。當燃燒室出現(xiàn)燃燒不均勻，1級導向葉片受熱負荷很大，是造成導向葉片破壞的主要原因。其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃，區(qū)別是靜止件，所受機械負荷不大。通常容易發(fā)生熱應力，引起的扭曲，溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷。導向葉片合金應具有如下性能：具有足夠的高溫強度，持久蠕性能及良好的熱疲勞性能，較高的抗氧化性和熱腐蝕性能，抗熱應力和震動，彎曲變形能力，良好的鑄造工藝成型性能和可焊性，涂層防護性能。
目前，高推重比的先進發(fā)動機多采用空心鑄造葉片，選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發(fā)動機使用高溫達1650℃-1930℃，需要采用隔熱涂層防護。冷卻和涂層防護條件下葉片合金的使用溫度達1100℃以上，對未來導向葉片材料使用的溫度 密度 成本提出新的更高要求。
2)渦輪工作葉片用高溫合金
渦輪葉片，是航空發(fā)動機的關鍵承熱轉(zhuǎn)動部件，工作溫度低于導向葉片50℃-100℃，轉(zhuǎn)動時承受很大的離心應力，振動應力，熱應力，氣流沖刷等作用，工作時條件惡劣。高推重比發(fā)動機要求熱端部件壽命大于2000h。因此，渦輪葉片合金在使用溫度下應具有很高的抗蠕變和持久斷裂強度，很好的高，中溫綜合性能，如高，低循環(huán)疲勞，冷熱疲勞，足夠的塑性和沖擊韌性，抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導熱性能，盡可能低的線膨脹系數(shù);良好的鑄造工藝性能;長期的組織穩(wěn)定性能，使用溫度下無TCP相析出。應用的合金經(jīng)歷4個階段;變形合金應用有GH4033、GH4143、GH4118等;鑄造合金應用有K403、K417、K418、K405，定向凝固金DZ4、DZ22，單晶合金DD3、DD8、PW1484等。目前已發(fā)展至第三代單晶合金。我國單晶合金DD3和DD8分別用在我國渦輪，渦扇發(fā)動機和直升機，艦載發(fā)動機。
3.渦輪盤用高溫合金
渦輪盤是渦輪發(fā)動機受力最大的轉(zhuǎn)動承力件。推重比8和10發(fā)動機的輪緣使用溫度達到650℃和750℃，輪心溫度300℃左右，溫差大。在正常轉(zhuǎn)動時帶動葉片高速旋轉(zhuǎn)，承受最大的離心力，熱應力，震動應力的綜合作用。每次啟動，停車是一個循環(huán)，輪心。喉道，槽底，輪緣均承受不同的復合應力。要求合金在使用溫度下具有最高的屈服強度，沖擊韌性，無缺口敏感;低的線膨脹系數(shù);一定的抗氧化，抗腐蝕性能;良好的切削加工性能。
4.航天用高溫合金
液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室作燃燒室噴注器面板;渦輪泵彎通，法蘭盤，石墨舵緊固件等。液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室做燃料室噴注器面板;渦輪泵彎通，法盤，石墨舵緊固件等。我國YF73和YF75采用GH3030合金絲編織網(wǎng)經(jīng)18層重疊后再經(jīng)軋制，燒結(jié)成多孔發(fā)散冷卻面板制成燃燒室噴注面板。渦輪轉(zhuǎn)子開始使用GH1040和GH2038A，后用GH4169整體鍛造，輪盤機加工而成，葉片電解加工而成，克服了GH1040長試時變形過大問題。對比GH1040與GH4169合金性能可知，遠程導彈發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子對材料的要求，在800℃398MPa20min符合要求為標準，GH4169可達30min組織性能穩(wěn)定;GH1040則在800℃294MPa下只能保持6min，不能勝任使用要求。更有利：在-253℃至室溫其強度增加392MPa-400MPa 塑性基本不變，低溫沖擊韌性較好。因此，GH4169用作渦輪轉(zhuǎn)子，軸，軸套，緊固件等重要承力件的材料。
美國液體火箭發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子材料主要有進氣管，渦輪葉片和輪盤。我國多采用GH1131合金，渦輪葉片依工作溫度而定，先后應采用Inconelx、Alloy713c、Astroloy和Mar-M246;輪盤材料有Inconel718、Waspaloy等，我國多采用GH4169、GH4141整體渦輪，發(fā)動機軸用GH2038A。
導彈與運載火箭姿態(tài)控制的小型液體火箭，一般推力小(0.02N-2000N)，脈沖起動數(shù)次數(shù)十萬次，最小脈沖寬度幾毫米秒，總工作時間5年-10年，要求可靠性高，其噴管延伸段采用輻射冷卻的單層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，燃燒溫度高，推力室一般選用鈮基合金NbHf10-1，為改善使用性能采用表面噴涂抗氧化涂層。使用溫度1100℃-1600℃，通常采用液膜冷卻保護燃燒室內(nèi)壁。美國采用錸銥合金燃燒室+抗氧化涂層，可取消液膜冷卻，性能明顯提高，相繼研制成功22N 66N 和445N姿態(tài)發(fā)動機燃燒室，投入使用后使衛(wèi)星和飛船有效負荷增加20㎏—100㎏。
新一代運載火箭發(fā)動機需研制應用大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量的新型高溫合金，用Ti—Al基合金代替部分鎳基合金。用GH4169制造泵殼體和低膨脹合金。
隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展，為了滿足各種飛行任務的需要，對于高溫合金領域的材料提出了更高的要求。這就要求我們不斷的向先進國家學習，并且通過自身不斷的實踐和創(chuàng)新，為我國國防科技發(fā)展貢獻力量。
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