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，具有一定強度的合金材料。按其生產成形方式劃分，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。不同的生產方式，對應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，疲勞性能遠低于鍛造高溫合金。隨著真空感應冶煉和真空精密鑄造兩種新技術的出現(xiàn)，使合金性能和鑄造質量大幅提高，鎳基鑄造高溫合金研究進入繁榮階段，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)動機中工作溫度最高、應力最復雜的位置，成為制造渦輪葉片和導向葉片的首選材料。
隨著鑄造高溫合金及凝固技術的發(fā)展，依靠合金化提高合金的性能已經受到限制，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力軸的橫向晶界，使鑄造合金的力學性能上了一個臺階。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性進一步提高（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，但是經過幾十年的發(fā)展，已經達到了較高的水平。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構為代表開發(fā)了一系列相關牌號的合金，相關牌號見表1。
一般來講，為滿足航空航天、民用等的需求，整個高溫合金市場，各類合金應保持一個合適的結構比例。以發(fā)展比較完善的美國為例，目前美國高溫合金市場，變形高溫合金占比55%，鑄造高溫合金占45%。而我國高溫合金產量構成為：變形合金越占總產量的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，從另一個側面反映鑄造高溫合金的市場潛力巨大。
二
鑄造高溫合金的制備技術
鑄造高溫合金因成分中活性元素較多，對雜質含量要求嚴格，故多采用雙真空熔鑄工藝，即將原材料先在真空感應爐內熔煉并鑄造成母合金錠，然后再在真空感應爐內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量對高溫合金鑄件的質量有很大影響，使用質量很差的母合金錠是不能生產出可靠的鑄件的。因此，從60年代以來，國內先后建立多種真空感應熔煉設備，引進了先進的IS65V8型真空感應爐，研制了一整套較先進的母合金熔煉工藝和凈化技術，為高性能鑄造高溫合金和先進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，已經能煉出純凈度較高的合金。
同時，又隨著熔模精密鑄造技術的成熟發(fā)展，鑄造高溫合金取得長遠發(fā)展。熔模精密鑄造是一種近凈成形工藝，其鑄件精密、復雜，接近于零件的最后的形狀，可不經加工直接使用或經很少加工后使用[8]。熔模鑄造能顯著減少產品的成形表面和配合表面加工量，節(jié)省加工時間和道具材料的消耗。同時，其能鑄造處形狀復雜的鑄件，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，以代替由幾個零件焊接或裝配而成的部件。
定向凝固和單晶葉片的應用是國內外先進發(fā)動機的重要標志。因此，從60年代中期起，我國開始研究定向凝固技術。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，最終的組織沒有橫向晶界，進而具有優(yōu)異的力學性能。以航材院為代表，從改裝設備到引進設備，研制成功功率降低法和鑄型移動法定向技術。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。
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。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。國內在單晶方面，發(fā)展了一種與國外同類技術有所不同的雙取向控制法，為此，設計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)動機、航天發(fā)動機以及工業(yè)燃氣輪機的各種高溫零部件，是國防和經濟建設中不可缺少的重要材料。目前，鑄造高溫合金產品主要包括高溫合金母合金、先進的發(fā)動機部件和燃氣輪機（煙氣輪機）葉片等高溫合金精密鑄件產品。
?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用于航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機的熱端關鍵部件，如渦輪葉片、導向葉片、燃燒室及整體鑄造導向器和整體渦輪等。
導向葉片用材料：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
隨著國民經濟的快速發(fā)展和高新技術產業(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)領域，特殊條件下服役的結構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，市場前景更加廣闊
A、重型燃氣輪機用高溫合金
由于燃氣輪機具有熱效率高、污染少、耗水少，甚至不耗水的優(yōu)點，參與聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機組能使整個系統(tǒng)達到更高的熱效率，所以燃氣輪機在電力、石化、冶金等部門的應用越來越廣泛，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，燃氣輪發(fā)電也受到國家有關方面的重視，特別是我國電力工業(yè)進入結構調整和產業(yè)化升級階段，對于資源的利用率和環(huán)境保護越來越重視，因此，燃氣輪機發(fā)電將進入新的發(fā)展高潮。
目前，我國三大電氣集團公司（上氣、東氣、哈氣）均采取技術合作、引進后消化吸收的方式分別與GE、西門子、三菱進行合作。但是，這三大生產商對于燃氣輪機的關鍵部件，比如渦輪工作葉片和渦輪導向葉片，仍然采取技術封鎖，因此只能采取全面進口。我國目前重型燃氣輪機葉片備件費用在1億美元以上。隨著燃氣輪機裝機容量的增加，葉片備件的市場需求將逐年增加。
與航空發(fā)動機相比，工業(yè)燃氣輪機對高溫合金的要求，除了良好的蠕變強度、疲勞強度等高溫強度和良好的塑性這些共同點外，燃氣輪機還有獨特的要求[9]：
抗熱腐蝕性能要特別好，因為發(fā)電或艦用燃氣輪機工作環(huán)境較航空發(fā)動機惡劣，熱端關鍵零件渦輪葉片或導向葉片要經受嚴重的熱腐蝕；
很長的工作壽命，要求在工作環(huán)境中組織穩(wěn)定性要好。軍用航空發(fā)動機的壽命通常只要求幾百個小時，民用航空發(fā)動機的壽命也只有幾千個小時，而工業(yè)用燃氣輪機則要求幾萬至幾十萬小時的壽命。因此，為滿足工業(yè)燃氣輪機要求，需要發(fā)展力學性能好、組織穩(wěn)定的無論葉片和導向葉片用抗熱腐蝕高溫合金。
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我國從1973年開始，已經研制成功多種抗熱腐蝕高溫合金，主要合金牌號，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
渦輪增壓器技術在汽車工業(yè)中的廣泛應用已成為提高發(fā)動機效率、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，轉速高，葉片上受到多種交變應力的作用，因此要求渦輪材料具有較好的高溫力學性能、屈服點和長期組織穩(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性、熱穩(wěn)定性和良好的抗機械疲勞、熱疲勞性能等優(yōu)點，被大量用于制作汽車增壓器渦輪。
為滿足不同工況條件對材料的要求，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)劃中對發(fā)動機增壓比例提出明確要求，裝置柴油機的重型汽車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，將會有越來越多的汽車采用渦輪增壓技術。
國內渦輪增壓器生產廠家越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公司、湖南江雁機器廠、黎明燃氣機成套公司等企業(yè)。
四
國內鑄造高溫合金產業(yè)
目前，我國鑄造高溫合金領域呈現(xiàn)“三足鼎立”的態(tài)勢，即鋼研院、中航工業(yè)航材院（621所）以及中科院金屬所。三家科研機構幾乎囊括了國內鑄造高溫合金生產。
以鋼研院為技術支撐，成立的鋼研高納公司主要生產變形高溫合金、鑄造高溫合金母合金及其精密鑄件和新型高溫合金。2013年鑄造高溫合金產量達到920噸，收入2.14億元，其中母合金市場占有率30%以上，精密鑄件市場占有率90%。通過真空水平連鑄母合金項目和鑄造高溫合金高品質精鑄件項目進一步提升了其生產制造能力。
同樣，以中科院金屬所作為技術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，主導產品包括“高溫合金母合金材料、船用增壓器葉片、工業(yè)燃氣輪機熱端渦輪葉片、重型燃氣輪機熱端渦輪葉片、航空航天用特種精密鑄件、玻璃棉噴吹離心器等”。保守估計，鑄造高溫合金這一領域年收入1億元以上。目前擁有設備有1500Kg真空熔煉爐、500Kg真空感應爐、特種鑄造爐等
五
關于鑄造高溫合金市場的思考
隨著我國“大飛機”、“發(fā)動機”等重大專項的啟動，國內航空領域對于高溫合金的需求量不斷提升。但是，由于其嚴格的資質考核，加上該領域相對嚴謹保守的做事風格，因此其供應商一般比較固定。對于新成立的民營企業(yè)或者外資企業(yè)來說，要進入該領域比較困難。
相比較而言，對于民用領域，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，這對于新興企業(yè)來說可謂是一個不錯的機會。以汽車為例，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，加上汽車排放標準的提高，渦輪增壓器使用比例越來越高。筆者曾經調研過相關民營渦輪增壓器企業(yè)，其生產裝備先進，自動化程度高，對于一個幾十人的小企業(yè)，年生產量達到300萬臺，高溫合金需求量近300噸。另外，鑄造高溫合金還應用于內燃機閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧螺栓的那個部件，這也是值得關注的領域。
此外，高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領域也有廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應用高溫合金零件多達十幾種，如：生產玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產用的轉向輥拉管大軸、端頭和通氣管等。
總而言之，對于高溫合金材料而言，這是一個最好的時期，也是一個最壞的時期。希望此文能對愿意從事該領域研究、生產、投資的廣大朋友有所幫助。
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