高溫合金的應(yīng)用

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金”，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。

高溫合金材料的加工特點(diǎn)

　　高溫合金一般可劃分為鐵合金、鈦合金以及鈷合金，這類合金具有耐高溫的特性，但是這增加了其加工難度。通常在加工過程中的切割力和高溫共同作用下，加工的合金很易變形或者破碎，進(jìn)而會(huì)使加工件毀壞。部分的合金在加工過程中會(huì)產(chǎn)生表面硬化現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致工件受力不均勻，極易對(duì)加工的零件精度造成影響。

　　在鈦合金加工過程中會(huì)出現(xiàn)上述問題。加工鈦合金需要的切削力較強(qiáng)，遠(yuǎn)高于鋼需要的切削力，但是鈦合金本身具有的特殊性，同樣造成了加工困難。主要的原因有：

　　1、高溫合金包括鈦合金在加工過程中極易硬化;

　　2、鈦基的合金導(dǎo)熱性能比較差，這就使得加工過程中產(chǎn)生的熱量全部聚集在刃上;

　　3、鈦合金的彈性較差，在進(jìn)行切削時(shí)，使工件的精度容易受到影響;

　　4、在所有的合金中，鈦合金化學(xué)性能是最為活潑的。

　　這就導(dǎo)致在加工過程中易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工件產(chǎn)生質(zhì)量問題。這說明了高溫合金的加工需要特殊的加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

我國高溫合金的發(fā)展階段

　　我國高溫合金的發(fā)展可分為三個(gè)階段。

　　diyi階段是指從1957年至1970年左右，這是我國高溫合金的產(chǎn)生和起步階段，在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下研制出diyi種高溫合金(GH3030)。這個(gè)階段主要仿制前蘇聯(lián)高溫合金，例如GH4033、GH4037系列的和K403、K406的等。

　　第二階段是指20世紀(jì)70年代到90年代后期這段時(shí)間，這是我國高溫合金的開始發(fā)展階段。參照國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)同，進(jìn)行研制和生產(chǎn)工作，在生產(chǎn)過程中建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，學(xué)習(xí)國外的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)材料質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測工作。這一階段，將傳統(tǒng)的工藝同西方的先進(jìn)工藝相融合，研制成功了多種新型的高溫合金，同時(shí)我國高溫合金的生產(chǎn)工藝技術(shù)得到了提高，產(chǎn)品質(zhì)量方面達(dá)到了一個(gè)新的高度.甚至達(dá)到了西方發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平。

　　第三階段是從20世紀(jì)末至今這段時(shí)間，這是我國高溫合金快速發(fā)展的階段。該階段，我國自主開發(fā)出一系列新工藝，研制出一批具有高性能、gaodang次的新型高溫合金。例如，粉末渦lunpan材料FGH4095和FGH4096兩種;還研制了氧化物強(qiáng)化高溫合金MGH4755;還有其他的一大批單晶高溫合金、凝固柱晶合金、低膨脹系數(shù)合金和耐熱腐蝕合金。取得了一系列的成果。

　　目前，我國已經(jīng)建成了多個(gè)高溫合金研制和生產(chǎn)基地，這些基地有著較先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，并且初具生產(chǎn)規(guī)模。

　　在這些基地中有變形高溫合金生產(chǎn)廠，例如東北特殊鋼集團(tuán)撫順特殊鋼公司和寶鋼股份公司特鋼事業(yè)部等;還有鍛件的熱加工廠，例如西南鋁業(yè)公司和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠等;也形成了一批研究單位，這些單位研究水平高，研究設(shè)備齊全，主要有鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院和中國科學(xué)院金屬研究所等，還有一些高校的實(shí)驗(yàn)室，也具有一定的研發(fā)能力。

　　現(xiàn)在，我國具備了對(duì)高溫合金材料進(jìn)行應(yīng)用研究以及對(duì)該材料進(jìn)行評(píng)估的能力，甚至也具備故障分析的能力.基本可自己獨(dú)立解決航空、航天等部門遇到的各種高溫合金問題。

高溫合金的應(yīng)用

　　高溫合金由于具有良好的高溫蠕變性能，優(yōu)異的抗腐蝕性能和磨蝕性能，以及良好的長期組織穩(wěn)定性和工藝性能，在能源工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用愈來愈重要，愈來愈廣泛。

　　1、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

　　高溫合金從誕生起就用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料的用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦lunpan，此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

　　航空航天產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，世界航空航天市場總額已高達(dá)數(shù)千億美元，并且正以每年10%左右的速度穩(wěn)步增長。

　　2、燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的高溫合金需求狀況

　　燃?xì)廨啓C(jī)是高溫合金的另一個(gè)主要用途。燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致，也類似蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理與蒸汽輪機(jī)很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C(jī)屬于內(nèi)燃機(jī)，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機(jī)，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。

　　燃?xì)廨啓C(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是不需連桿、曲柄、飛輪等裝置，又不需鍋爐，因此體積小、重量輕，功率大到100000～200000千瓦，效率高達(dá)60%，廣泛用于船舶動(dòng)力、發(fā)電等。

　　因燃?xì)廨啓C(jī)噴射到葉輪上的氣體溫度高達(dá)1300℃，因此葉輪需要用高溫合金來制造。

　　從國際發(fā)展的趨勢來看，為了提高熱效率和增加機(jī)動(dòng)性，需要發(fā)展大功率的(大于100MW)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)組，這對(duì)材料提出了更高的要求。以渦輪葉片為例，因采用劣質(zhì)燃料，加上地面工況條件差，特別是在高溫下(>1300℃)、連續(xù)工作時(shí)間很長(以萬小時(shí)計(jì))，更需要耐熱腐蝕、抗沖刷的高溫合金和耐熱涂層。目前我國每年花費(fèi)在進(jìn)口渦輪葉片備件上就達(dá)上億美元。國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展前景為高溫合金的使用提供了巨大的空間，而且每年的備件供應(yīng)將是非常穩(wěn)定的需求，初步估計(jì)市場空間在10億元以上。

　　3、汽車廢氣增壓器渦輪

　　汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。廢氣增壓器渦輪生產(chǎn)在國外已有60多年的歷史。目前，國外的重型柴油機(jī)增壓器配置率，中小型柴油機(jī)也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達(dá)80%左右。

　　廢氣渦輪增壓器具有減少有害排放、降低噪聲污染、提高機(jī)械效率、提升功率等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機(jī)葉輪共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)子。

　　據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)2009年2月4日發(fā)布的統(tǒng)計(jì)顯示，2008年，汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷934.51萬輛和938.05萬輛，同比增長5.21%和6.70%，汽車銷量比2003年的439萬輛翻了一番。由此推算，2008年中國汽車工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對(duì)高溫母合金的需求就在1,900噸以上。此外內(nèi)燃機(jī)的閥座、鑲塊、進(jìn)氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。

　　4、原子能工業(yè)市場

　　原子能工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。我國要陸續(xù)建成10座60萬千瓦的核電站。每座60萬千瓦的核電站需用蒸發(fā)器"U"形傳熱管100噸。此外，還有大量的堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級(jí)用管600多噸。

　　核電用高溫合金目前不屬于本公司主要市場，但隨著核電發(fā)電設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，將帶動(dòng)對(duì)國產(chǎn)高溫合金的需求。核電用高溫合金市場將是公司未來著力進(jìn)入的目標(biāo)市場。

　　5、其它領(lǐng)域的高溫合金需求

　　高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的高溫合金零件多達(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)向輥拉管機(jī)大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導(dǎo)板和高溫爐熱電偶保護(hù)套管等。醫(yī)療器械領(lǐng)域的人工關(guān)節(jié)等。

　　通過以上分析，高溫合金有著一個(gè)龐大的國內(nèi)外市場。隨著中國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高溫合金的市場將穩(wěn)定的增長。

高溫合金發(fā)展前景

　　最初，由于高溫合金材料的制造工藝較復(fù)雜，甚至不能量產(chǎn)，故主要應(yīng)用在在航空航天領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)量的提高，其逐漸被應(yīng)用到電力、汽車和冶金等工業(yè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步，新型高溫合金材料層出不窮，市場對(duì)高溫合金的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　目前，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，國際市場上消耗的高溫合金材料數(shù)量不斷增多.年消耗量基本達(dá)到三十萬噸。我國的高溫合金材料每年產(chǎn)量約一萬噸，但是需求量每年約兩萬噸以上，因此市場缺口很大。

　　我國高溫合金的生產(chǎn)與需求不匹配的原因主要有：

　　1、我國的生產(chǎn)能力不足，能夠生產(chǎn)高溫合金的企業(yè)數(shù)量較少，這就導(dǎo)致了生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到市場的需求的數(shù)量，個(gè)別的高溫合金材料還需要進(jìn)口，尤其是在燃?xì)廨啓C(jī)和核電等領(lǐng)域。

　　2、現(xiàn)有材料難以滿足高端產(chǎn)品的需求。我國的高溫合金生產(chǎn)水平雖然有很大提高，但是與美、俄等強(qiáng)國仍有很大差距，導(dǎo)致了現(xiàn)有的高溫合金材料不足的現(xiàn)象。這就需要國內(nèi)高溫合金生產(chǎn)企業(yè)提高現(xiàn)有的研發(fā)能力，同時(shí)還要提高生產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量，使其具有生產(chǎn)先進(jìn)高溫合金材料的實(shí)力。

　　我國的新型高溫合金需求不斷增加，主要的原因有：

　　1、大力發(fā)展了航空航天產(chǎn)業(yè).在這一領(lǐng)域不斷加強(qiáng)創(chuàng)新，不斷研制性能更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)。擴(kuò)大了高溫合金材料的市場，導(dǎo)致了對(duì)其需求的增加。

　　2、這就拉動(dòng)了對(duì)發(fā)電設(shè)備的需求，特別是其中的關(guān)鍵零部件渦lunpan的需求增加。

　　3、正在進(jìn)行研發(fā)的燃機(jī)組已經(jīng)有了新的突破，在其實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后對(duì)高溫合金的需求數(shù)量也會(huì)大幅增多。