一
鑄造高溫合金發(fā)展概況

高溫合金是在600℃以上，具有優(yōu)異抗氧化腐蝕性能，具有一定強(qiáng)度的合金材料。按其生產(chǎn)成形方式劃分，可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。不同的生產(chǎn)方式，對(duì)應(yīng)的合金性能和用途不同。一般來說，鑄造高溫合金承受溫度更高，性能更優(yōu)異。鑄造高溫合金的發(fā)展開始于20實(shí)際40年代。在鑄造高溫合金發(fā)展的初期，鑄造葉片晶粒粗大，疲勞性能遠(yuǎn)低于鍛造高溫合金。隨著真空感應(yīng)冶煉和真空精密鑄造兩種新技術(shù)的出現(xiàn)，使合金性能和鑄造質(zhì)量大幅提高，鎳基鑄造高溫合金研究進(jìn)入繁榮階段，開發(fā)了一批合金如：IN100、B1900、MAR-M200、IN713、MAR-M002、Rene125[1~3]。此后，鑄造高溫合金就一直占據(jù)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)中工作溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜的位置，成為制造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的首選材料。

隨著鑄造高溫合金及凝固技術(shù)的發(fā)展，依靠合金化提高合金的性能已經(jīng)受到限制，于是出現(xiàn)了定向凝固工藝。定向凝固工藝消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，使鑄造合金的力學(xué)性能上了一個(gè)臺(tái)階。隨后發(fā)展的是消除全部的晶界，即單晶高溫合金。定向凝固合金比普通鑄造合金性能大幅提高，如在MAR-M200合金基礎(chǔ)上研制成功的定向凝固合金PWA1422具有良好的高溫蠕變斷裂和塑形，熱疲勞性能比原合金提高約5倍，單晶工藝使合金熱強(qiáng)性進(jìn)一步提高（30℃）。

我國鑄造高溫合金是從五十年代發(fā)展起來的，雖然起步較晚，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。主要是以鋼研總院、北京航空材料研究院、中科院金屬所三家機(jī)構(gòu)為代表開發(fā)了一系列相關(guān)牌號(hào)的合金，相關(guān)牌號(hào)見表1。

一般來講，為滿足航空航天、民用等的需求，整個(gè)高溫合金市場(chǎng)，各類合金應(yīng)保持一個(gè)合適的結(jié)構(gòu)比例。以發(fā)展比較完善的美國為例，目前美國高溫合金市場(chǎng)，變形高溫合金占比55%，鑄造高溫合金占45%。而我國高溫合金產(chǎn)量構(gòu)成為：變形合金越占總產(chǎn)量的80~90%，鑄造合金占10~20%。因此，我國鑄造高溫合金發(fā)展與國外還有很大的差距，從另一個(gè)側(cè)面反映鑄造高溫合金的市場(chǎng)潛力巨大。

二
鑄造高溫合金的制備技術(shù)

鑄造高溫合金因成分中活性元素較多，對(duì)雜質(zhì)含量要求嚴(yán)格，故多采用雙真空熔鑄工藝，即將原材料先在真空感應(yīng)爐內(nèi)熔煉并鑄造成母合金錠，然后再在真空感應(yīng)爐內(nèi)將母合金錠重熔并澆注成鑄件[4]。最初的高溫合金母合金錠的質(zhì)量對(duì)高溫合金鑄件的質(zhì)量有很大影響，使用質(zhì)量很差的母合金錠是不能生產(chǎn)出可靠的鑄件的。因此，從60年代以來，國內(nèi)先后建立多種真空感應(yīng)熔煉設(shè)備，引進(jìn)了先進(jìn)的IS65V8型真空感應(yīng)爐，研制了一整套較先進(jìn)的母合金熔煉工藝和凈化技術(shù)，為高性能鑄造高溫合金和先進(jìn)葉片的研制提供了極其重要的保證。目前，在母合金熔煉中，采用高溫、高真空加攪拌以及過濾凈化措施，已經(jīng)能煉出純凈度較高的合金。

同時(shí)，又隨著熔模精密鑄造技術(shù)的成熟發(fā)展，鑄造高溫合金取得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。熔模精密鑄造是一種近凈成形工藝，其鑄件精密、復(fù)雜，接近于零件的最后的形狀，可不經(jīng)加工直接使用或經(jīng)很少加工后使用[8]。熔模鑄造能顯著減少產(chǎn)品的成形表面和配合表面加工量，節(jié)省加工時(shí)間和道具材料的消耗。同時(shí)，其能鑄造處形狀復(fù)雜的鑄件，也能鑄造處壁厚為0.5mm、重量小至1g的鑄件，還可以鑄造組合的、整體的鑄件，以代替由幾個(gè)零件焊接或裝配而成的部件。

定向凝固和單晶葉片的應(yīng)用是國內(nèi)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要標(biāo)志。因此，從60年代中期起，我國開始研究定向凝固技術(shù)。所謂定向凝固，就是控制合金凝固過程，使其沿一定方向生產(chǎn)，最終的組織沒有橫向晶界，進(jìn)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能。以航材院為代表，從改裝設(shè)備到引進(jìn)設(shè)備，研制成功功率降低法和鑄型移動(dòng)法定向技術(shù)。80年代初期的研究又成功地發(fā)展完善了具有我國特色的單晶葉片定向凝固技術(shù)。

作為鑄造高溫合金的前沿方向——單晶高溫合金一直是研究的熱點(diǎn)。由于沒有晶界存在，因此其性能優(yōu)異，能夠承受更高的溫度和更苛刻的環(huán)境。國內(nèi)在單晶方面，發(fā)展了一種與國外同類技術(shù)有所不同的雙取向控制法，為此，設(shè)計(jì)出了一種特殊的螺旋選晶器，取得了良好的效果。

三
鑄造高溫合金的主要應(yīng)用

由于鑄造高溫合金具備了良好的綜合性能，通常用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的各種高溫零部件，是國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的重要材料。目前，鑄造高溫合金產(chǎn)品主要包括高溫合金母合金、先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和燃?xì)廨啓C(jī)（煙氣輪機(jī)）葉片等高溫合金精密鑄件產(chǎn)品。

?航空航天用高溫合金

在航空航天方面，鑄造高溫合金主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端關(guān)鍵部件，如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、燃燒室及整體鑄造導(dǎo)向器和整體渦輪等。
導(dǎo)向葉片用材料：K32、K14、K38、K3、K5、K17、DK5、DK3、K19、K002、K20等。
渦輪工作葉片用材料：包括K17、K19等。

?民用高溫合金母合金

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，除傳統(tǒng)的航空航天用高溫合金材料外，在電力、汽車、石化、能源、冶金、造紙和環(huán)境控制等民用工業(yè)領(lǐng)域，特殊條件下服役的結(jié)構(gòu)部件都需要高溫合金材料來制造，民用高溫合金的需求不斷提高，市場(chǎng)前景更加廣闊
A、重型燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金

由于燃?xì)廨啓C(jī)具有熱效率高、污染少、耗水少，甚至不耗水的優(yōu)點(diǎn)，參與聯(lián)合循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)組能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到更高的熱效率，所以燃?xì)廨啓C(jī)在電力、石化、冶金等部門的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到人們的青睞。隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展和電網(wǎng)峰差的日趨增大，燃?xì)廨啺l(fā)電也受到國家有關(guān)方面的重視，特別是我國電力工業(yè)進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)化升級(jí)階段，對(duì)于資源的利用率和環(huán)境保護(hù)越來越重視，因此，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電將進(jìn)入新的發(fā)展高潮。

目前，我國三大電氣集團(tuán)公司（上氣、東氣、哈氣）均采取技術(shù)合作、引進(jìn)后消化吸收的方式分別與GE、西門子、三菱進(jìn)行合作。但是，這三大生產(chǎn)商對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，比如渦輪工作葉片和渦輪導(dǎo)向葉片，仍然采取技術(shù)封鎖，因此只能采取全面進(jìn)口。我國目前重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片備件費(fèi)用在1億美元以上。隨著燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量的增加，葉片備件的市場(chǎng)需求將逐年增加。

與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)高溫合金的要求，除了良好的蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等高溫強(qiáng)度和良好的塑性這些共同點(diǎn)外，燃?xì)廨啓C(jī)還有獨(dú)特的要求[9]：

抗熱腐蝕性能要特別好，因?yàn)榘l(fā)電或艦用燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境較航空發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣，熱端關(guān)鍵零件渦輪葉片或?qū)蛉~片要經(jīng)受嚴(yán)重的熱腐蝕；
很長(zhǎng)的工作壽命，要求在工作環(huán)境中組織穩(wěn)定性要好。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命通常只要求幾百個(gè)小時(shí)，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命也只有幾千個(gè)小時(shí)，而工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)則要求幾萬至幾十萬小時(shí)的壽命。因此，為滿足工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)要求，需要發(fā)展力學(xué)性能好、組織穩(wěn)定的無論葉片和導(dǎo)向葉片用抗熱腐蝕高溫合金。
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我國從1973年開始，已經(jīng)研制成功多種抗熱腐蝕高溫合金，主要合金牌號(hào)，主要以等軸晶鑄造高溫合金或定向柱晶和單晶高溫合金為 主。

B、汽車增壓渦輪用高溫合金

渦輪增壓器技術(shù)在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用已成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放的有效手段[5]。增壓渦輪工作溫度高，轉(zhuǎn)速高，葉片上受到多種交變應(yīng)力的作用，因此要求渦輪材料具有較好的高溫力學(xué)性能、屈服點(diǎn)和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性以及良好的鑄造性能。鑄造高溫合金因具有足夠的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和良好的抗機(jī)械疲勞、熱疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，被大量用于制作汽車增壓器渦輪。

為滿足不同工況條件對(duì)材料的要求，世界各國開發(fā)了多種增壓渦輪用高溫合金材料。目前國內(nèi)大量使用的增壓渦輪材料是自行研制的K213，K418，K419和K4002等鑄造高溫合金，國外用于增壓渦輪的材料有Inconel713C，GMR235，MAR-M247，MAR-M246，X40等

我國汽車用渦輪增壓器在“九五”期間得到了迅速發(fā)展。國家在“九五”規(guī)劃中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比例提出明確要求，裝置柴油機(jī)的重型汽車100%配置渦輪增壓器，中型汽車80%配置渦輪增壓器，輕型車40%配置渦輪增壓器。隨著最近幾年我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，將會(huì)有越來越多的汽車采用渦輪增壓技術(shù)。

國內(nèi)渦輪增壓器生產(chǎn)廠家越20余家。主要廠家有霍尼韋爾渦輪增壓系統(tǒng)（上海）有限公司、無錫霍爾賽特工程有限公司遼寧東方增壓器集團(tuán)公司、湖南江雁機(jī)器廠、黎明燃?xì)鈾C(jī)成套公司等企業(yè)。

四
國內(nèi)鑄造高溫合金產(chǎn)業(yè)

目前，我國鑄造高溫合金領(lǐng)域呈現(xiàn)“三足鼎立”的態(tài)勢(shì)，即鋼研院、中航工業(yè)航材院（621所）以及中科院金屬所。三家科研機(jī)構(gòu)幾乎囊括了國內(nèi)鑄造高溫合金生產(chǎn)。

以鋼研院為技術(shù)支撐，成立的鋼研高納公司主要生產(chǎn)變形高溫合金、鑄造高溫合金母合金及其精密鑄件和新型高溫合金。2013年鑄造高溫合金產(chǎn)量達(dá)到920噸，收入2.14億元，其中母合金市場(chǎng)占有率30%以上，精密鑄件市場(chǎng)占有率90%。通過真空水平連鑄母合金項(xiàng)目和鑄造高溫合金高品質(zhì)精鑄件項(xiàng)目進(jìn)一步提升了其生產(chǎn)制造能力。

同樣，以中科院金屬所作為技術(shù)依托而成立的中科三耐新材料有限公司，主要從事耐高溫、耐腐蝕、耐磨損高溫合金材料及其精密鑄件的研究與生產(chǎn)，主導(dǎo)產(chǎn)品包括“高溫合金母合金材料、船用增壓器葉片、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱端渦輪葉片、重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端渦輪葉片、航空航天用特種精密鑄件、玻璃棉噴吹離心器等”。保守估計(jì)，鑄造高溫合金這一領(lǐng)域年收入1億元以上。目前擁有設(shè)備有1500Kg真空熔煉爐、500Kg真空感應(yīng)爐、特種鑄造爐等

五
關(guān)于鑄造高溫合金市場(chǎng)的思考

隨著我國“大飛機(jī)”、“發(fā)動(dòng)機(jī)”等重大專項(xiàng)的啟動(dòng)，國內(nèi)航空領(lǐng)域?qū)τ诟邷睾辖鸬男枨罅坎粩嗵嵘５牵捎谄鋰?yán)格的資質(zhì)考核，加上該領(lǐng)域相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)保守的做事風(fēng)格，因此其供應(yīng)商一般比較固定。對(duì)于新成立的民營企業(yè)或者外資企業(yè)來說，要進(jìn)入該領(lǐng)域比較困難。

相比較而言，對(duì)于民用領(lǐng)域，鑄造高溫合金的發(fā)展也是迎來繁榮，而且其要求的門檻較低，這對(duì)于新興企業(yè)來說可謂是一個(gè)不錯(cuò)的機(jī)會(huì)。以汽車為例，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，加上汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，渦輪增壓器使用比例越來越高。筆者曾經(jīng)調(diào)研過相關(guān)民營渦輪增壓器企業(yè)，其生產(chǎn)裝備先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，對(duì)于一個(gè)幾十人的小企業(yè)，年生產(chǎn)量達(dá)到300萬臺(tái)，高溫合金需求量近300噸。另外，鑄造高溫合金還應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)閥座、鑲塊、進(jìn)氣閥、密封彈簧螺栓的那個(gè)部件，這也是值得關(guān)注的領(lǐng)域。

此外，高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也有廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應(yīng)用高溫合金零件多達(dá)十幾種，如：生產(chǎn)玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產(chǎn)用的轉(zhuǎn)向輥拉管大軸、端頭和通氣管等。

總而言之，對(duì)于高溫合金材料而言，這是一個(gè)最好的時(shí)期，也是一個(gè)最壞的時(shí)期。希望此文能對(duì)愿意從事該領(lǐng)域研究、生產(chǎn)、投資的廣大朋友有所幫助。

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