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[摘 要]近年来，随着现代化技术水平的不断提升，高温合金精密铸造手段在相关领域得到了普遍的认可，应当大力的推广，特别是在航空工业或者是化学工业等相应的技术领域中得到了青睐。对此，本文主要在对高温合金在航空领域中航空发动机中的应用进行相同探讨分析，并对其发展做了相关展望。
[关键词]高温合金；航空；应用；发展
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0377-01
高温合金又叫热强合金。按基体组织材料可分为三类：铁基镍基和铬基。按生产方式可分为变形高温合金和铸造高温合金。它是航空航天领域中不可或缺的原材。它是航天，航空制造发动机高温部分的关键材料。主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机与涡轮盘，涡轮机匣等部位。使用温度范围在600℃—1200℃，受力与环境条件随使用零件所在部分不同而异，对合金的力学，物理，化学性能有严格的要求，是发动机的性能，可靠性与寿命的决定性因素。因此高温合金是各发达国家航空航天，国防领域中的研究重点项目之一。
一、高温合金材料简介
相对于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金在现代工业中使用最广泛，牌号最多，地位也最重要。镍基高温合金是以Ni-Cr二元系为基体，加入Co、Mo和W等固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素。目前世界上的高温合金，特别是单晶高温合金材料的发展已经历了4代.第1代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。20世纪80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第2代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前一些国家研制的第2代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。
二、高温合金在发动机涡轮中的应用
航空发动机涡轮叶片是航空发动机中承受温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一，在高温下要承受很大很复杂的应力，因此对其材料的要求十分严格。而航空发动机涡轮叶片高温合金又分为：
（一）导向器用高温合金
导向器是涡轮发动机受热冲击最大的零件之一。当燃烧室出现燃烧不均匀，1级导向叶片受热负荷很大，是造成导向叶片破坏的主要原因。其使用温度比涡轮叶片大约高出100℃，区别是静止件，所受机械负荷不大。通常容易发生热应力，引起的扭曲，温度急剧变化引起的热疲劳裂纹及局部烧伤。导向叶片合金应具有如下性能：具有足够的高温强度，持久蠕性能及良好的热疲劳性能，较高的抗氧化性和热腐蚀性能，抗热应力和震动，弯曲变形能力，良好的铸造工艺成型性能和可焊性，涂层防护性能。
目前，高推重比的先进发动机多采用空心铸造叶片，选定定向和单晶镍基高温合金。高推重比发动机使用高温达1650℃—1930℃，需要采用隔热涂层防护。冷却和涂层防护条件下叶片合金的使用温度达1100℃以上，对未来导向叶片材料使用的温度密度成本提出新的更高要求。
（二）涡轮工作叶片用高温合金
涡轮叶片，是航空发动机的关键承热转动部件，工作温度低于导向叶片50℃—100℃，转动时承受很大的离心应力，振动应力，热应力，气流冲刷等作用，工作时条件恶劣。高推重比发动机要求热端部件寿命大于2000h。因此，涡轮叶片合金在使用温度下应具有很高的抗蠕变和持久断裂强度，很好的高，中温综合性能，如高，低循环疲劳，冷热疲劳，足够的塑性和冲击韧性，抗缺口敏感性能；具有高的抗氧化性和腐蚀性能；良好的导热性能，尽可能低的线膨胀系数；良好的铸造工艺性能；长期的组织稳定性能，使用温度下无TCP相析出。应用的合金经历4个阶段；变形合金应用有GH4033 GH4143GH4118等；铸造合金应用有K403K417K418K405，定向凝固金DZ4DZ22，单晶合金DD3DD8PW1484等。目前已发展至第三代单晶合金。我国单晶合金DD3和DD8分别用在我国涡轮，涡扇发动机和直升机，舰载发动机。
（三）涡轮盘用高温合金
涡轮盘是涡轮发动机受力最大的转动承力件。推重比8和10发动机的轮缘使用温度达到650℃和750℃，轮心温度300℃左右，温差大。在正常转动时带动叶片高速旋转，承受最大的离心力，热应力，震动应力的综合作用。每次启动，停车是一个循环，轮心。喉道，槽底，轮缘均承受不同的复合应力。要求合金在使用温度下具有最高的屈服強度，冲击韧性，无缺口敏感；低的线膨胀系数；一定的抗氧化，抗腐蚀性能；良好的切削加工性能。
三、高温合金在航空领域中的应用
目前，航空发动机材料正向着高温化、整体化、轻量化、高效率、低成本的方向发展。材料的耐温水平、强度水平越来越高，部件的承温能力越来越高，超高温材料技术不断突破，使得发动机性能不断提升。主要有以下特点：
（一）涡轮叶片结构由实心发展到空心简单冷却、复合气膜冷却、双层壁超级冷却
叶片工艺由高温合金等轴铸造发展为无余量定向柱晶-单晶-金属间化合物精密铸造，耐温由1 040℃提高到1 100℃，单晶涡轮叶片普遍应用到F110、F119、T700等第三、四代发动机，GE、PW等公司目前发展的第三代单晶，材料使用温度约提高80℃，接近了材料初熔温度，而第二代单晶铸冷/超冷叶片用于第四代发动机，使得涡轮前温度比第三代提高约200℃，耐温1 300℃～1 400℃的镍-铝和钼-硅、铌-硅等金属间化合物涡轮叶片技术正在研究中。
（二）涡轮盘发展到三代粉末涡轮盘
目前，第二代粉末盘Rene88DT由于采用氩气雾化制粉、热等静压/热挤压预制坯、等温锻造成型等工艺，大大提高了使用温度，降低了裂纹扩展速率，广泛应用于第三代、第四代航空发动机。使用温度高于800℃的高强加损伤容限型第三代双性能粉末高温合金涡轮盘和双幅板涡轮盘以及单晶叶片和粉末盘连接的整体涡轮叶盘也在研制中，拟用于第五代发动机。
四、结语
高温合金在航空领域的使用由来已久，随着社会经济和科技的快速发展，高温合金所使用的温度越来越高，对其性能要求也就越来越高，尤其是高温强度和热稳定性已经成为制约高温合金发展的障碍。要想提高高温合金的在高温使用时的性能，就要了解影响其性能的因素。因此本文对影响高温合金的一些因素进行了简单分析和总结，更多的因素和研究，还需科研工作者今后共同努力，相信在诸多科研工作者的共同努力下，高温合金的使用温度会越来越高。
参考文献
[1]刘昌伟，潘美艳.浅析航空用高温合金涡轮后轴工艺研究[J].科技展望，2016（5）.
[2]尹志冬，戴斌煜，刘智彬，商景利，王薇薇.高温合金净化技术研究现状[J].铸造，2011（5）.
[3]曾立英，赵永庆，洪权，毛小南，戚运莲.600℃高温钛合金的研发[J].钛工业进展，2012，29（5）：1-5.
[关键词]高温合金；航空；应用；发展
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0377-01
高温合金又叫热强合金。按基体组织材料可分为三类：铁基镍基和铬基。按生产方式可分为变形高温合金和铸造高温合金。它是航空航天领域中不可或缺的原材。它是航天，航空制造发动机高温部分的关键材料。主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机与涡轮盘，涡轮机匣等部位。使用温度范围在600℃—1200℃，受力与环境条件随使用零件所在部分不同而异，对合金的力学，物理，化学性能有严格的要求，是发动机的性能，可靠性与寿命的决定性因素。因此高温合金是各发达国家航空航天，国防领域中的研究重点项目之一。
一、高温合金材料简介
相对于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金在现代工业中使用最广泛，牌号最多，地位也最重要。镍基高温合金是以Ni-Cr二元系为基体，加入Co、Mo和W等固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素。目前世界上的高温合金，特别是单晶高温合金材料的发展已经历了4代.第1代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。20世纪80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第2代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前一些国家研制的第2代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。
二、高温合金在发动机涡轮中的应用
航空发动机涡轮叶片是航空发动机中承受温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一，在高温下要承受很大很复杂的应力，因此对其材料的要求十分严格。而航空发动机涡轮叶片高温合金又分为：
（一）导向器用高温合金
导向器是涡轮发动机受热冲击最大的零件之一。当燃烧室出现燃烧不均匀，1级导向叶片受热负荷很大，是造成导向叶片破坏的主要原因。其使用温度比涡轮叶片大约高出100℃，区别是静止件，所受机械负荷不大。通常容易发生热应力，引起的扭曲，温度急剧变化引起的热疲劳裂纹及局部烧伤。导向叶片合金应具有如下性能：具有足够的高温强度，持久蠕性能及良好的热疲劳性能，较高的抗氧化性和热腐蚀性能，抗热应力和震动，弯曲变形能力，良好的铸造工艺成型性能和可焊性，涂层防护性能。
目前，高推重比的先进发动机多采用空心铸造叶片，选定定向和单晶镍基高温合金。高推重比发动机使用高温达1650℃—1930℃，需要采用隔热涂层防护。冷却和涂层防护条件下叶片合金的使用温度达1100℃以上，对未来导向叶片材料使用的温度密度成本提出新的更高要求。
（二）涡轮工作叶片用高温合金
涡轮叶片，是航空发动机的关键承热转动部件，工作温度低于导向叶片50℃—100℃，转动时承受很大的离心应力，振动应力，热应力，气流冲刷等作用，工作时条件恶劣。高推重比发动机要求热端部件寿命大于2000h。因此，涡轮叶片合金在使用温度下应具有很高的抗蠕变和持久断裂强度，很好的高，中温综合性能，如高，低循环疲劳，冷热疲劳，足够的塑性和冲击韧性，抗缺口敏感性能；具有高的抗氧化性和腐蚀性能；良好的导热性能，尽可能低的线膨胀系数；良好的铸造工艺性能；长期的组织稳定性能，使用温度下无TCP相析出。应用的合金经历4个阶段；变形合金应用有GH4033 GH4143GH4118等；铸造合金应用有K403K417K418K405，定向凝固金DZ4DZ22，单晶合金DD3DD8PW1484等。目前已发展至第三代单晶合金。我国单晶合金DD3和DD8分别用在我国涡轮，涡扇发动机和直升机，舰载发动机。
（三）涡轮盘用高温合金
涡轮盘是涡轮发动机受力最大的转动承力件。推重比8和10发动机的轮缘使用温度达到650℃和750℃，轮心温度300℃左右，温差大。在正常转动时带动叶片高速旋转，承受最大的离心力，热应力，震动应力的综合作用。每次启动，停车是一个循环，轮心。喉道，槽底，轮缘均承受不同的复合应力。要求合金在使用温度下具有最高的屈服強度，冲击韧性，无缺口敏感；低的线膨胀系数；一定的抗氧化，抗腐蚀性能；良好的切削加工性能。
三、高温合金在航空领域中的应用
目前，航空发动机材料正向着高温化、整体化、轻量化、高效率、低成本的方向发展。材料的耐温水平、强度水平越来越高，部件的承温能力越来越高，超高温材料技术不断突破，使得发动机性能不断提升。主要有以下特点：
（一）涡轮叶片结构由实心发展到空心简单冷却、复合气膜冷却、双层壁超级冷却
叶片工艺由高温合金等轴铸造发展为无余量定向柱晶-单晶-金属间化合物精密铸造，耐温由1 040℃提高到1 100℃，单晶涡轮叶片普遍应用到F110、F119、T700等第三、四代发动机，GE、PW等公司目前发展的第三代单晶，材料使用温度约提高80℃，接近了材料初熔温度，而第二代单晶铸冷/超冷叶片用于第四代发动机，使得涡轮前温度比第三代提高约200℃，耐温1 300℃～1 400℃的镍-铝和钼-硅、铌-硅等金属间化合物涡轮叶片技术正在研究中。
（二）涡轮盘发展到三代粉末涡轮盘
目前，第二代粉末盘Rene88DT由于采用氩气雾化制粉、热等静压/热挤压预制坯、等温锻造成型等工艺，大大提高了使用温度，降低了裂纹扩展速率，广泛应用于第三代、第四代航空发动机。使用温度高于800℃的高强加损伤容限型第三代双性能粉末高温合金涡轮盘和双幅板涡轮盘以及单晶叶片和粉末盘连接的整体涡轮叶盘也在研制中，拟用于第五代发动机。
四、结语
高温合金在航空领域的使用由来已久，随着社会经济和科技的快速发展，高温合金所使用的温度越来越高，对其性能要求也就越来越高，尤其是高温强度和热稳定性已经成为制约高温合金发展的障碍。要想提高高温合金的在高温使用时的性能，就要了解影响其性能的因素。因此本文对影响高温合金的一些因素进行了简单分析和总结，更多的因素和研究，还需科研工作者今后共同努力，相信在诸多科研工作者的共同努力下，高温合金的使用温度会越来越高。
参考文献
[1]刘昌伟，潘美艳.浅析航空用高温合金涡轮后轴工艺研究[J].科技展望，2016（5）.
[2]尹志冬，戴斌煜，刘智彬，商景利，王薇薇.高温合金净化技术研究现状[J].铸造，2011（5）.
[3]曾立英，赵永庆，洪权，毛小南，戚运莲.600℃高温钛合金的研发[J].钛工业进展，2012，29（5）：1-5.