战略角度:高温合金材料是航空航天领域的战略军事物资,对于提高航空发动机性能、实现航空发动机国产化具有重要作用。我国从上世纪60年代开始发展国产航空发动机,历经坎坷,已经取得了进步。但是,与国外发动机相比,国产涡扇发动机的推重比这一重要指标仍然落后。提高航空航天发动机的工作温度,核心手段是应用高温合金材料。航空发动机高温合金用量达到50%以上,被誉为“航空发动机的基石材料”。
产业角度:我国航空航天高温合金已从研究到全面大规模国产化的拐点。需求端方面,我国型号武器装备在“十三五”已经跨过研制定型阶段,在“十四五”将进入批量列装阶段,随之带动高温合金材料也会从“多品种、小批量”进入“大规模批产”阶段。供给端方面,我国高温合金经历从仿制到引进再到自主创新的过程,目前已形成一定规模拥有较技术装备的生产基地
盈利角度:下游航空航天放量,上游新材料盈利弹性更强。从量的增速看,消耗属性是装备链条增速的核心影响因素之一,从消耗属性角度看“高温合金(如高温合金叶片维修)>航空发动机>军机”,再叠加国产替代的需求,因此高温合金产业相对于下游军机装备增速更高。从盈利的增速看,相对于下游总装,上游的材料受定价机制影响较小,更多是货架产品因此拥有相对市场化的定价机制,重要的是材料更容易形成规模效应,因此高温合金材料企业盈利弹性相对于下游总装有望更强
高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料;并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。
基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度较高,又被称为“超合金”,是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机热端部件。
合金强化类型
根据合金强化类型,高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。
⑴固溶强化型
所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中,形成单相奥氏体组织,溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变,使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能,提高位错分解的倾向,导致交滑移难于进行,合金被强化,达到高温合金强化的目的。
⑵时效沉淀强化
所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理,冷塑性变形后,在较高的温度放置或室温保持其性能的一种热处理工艺。例如:GH4169 合金,在650℃的高屈服强度达1 000 MPa,制作叶片的合金温度可达950℃。
GH4169高温合金
GH4169合金是镍一铬一铁基高温合金。GH4169合金属于镍基变形高温合金。镍基合金是一种复杂的合金。它被广泛地应用于制造各种高温部件。同时,也是所有高温合金中为注目的一种合金。它的相对使用温度在所有普通合金系中也是高的。的飞机发动机中这种合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由国际镍公司亨廷顿分公司的Eiselstein研制成功,于1995年公开介绍的时效硬化镍—铬—铁基变形合金。合金是以体心立方g〞和面心立方g′相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金,在650℃以下具有高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性,具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、断裂韧性等综合性能,以及满意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253~650℃很宽的温度范围内组织性能稳定,成为在深冷和高温条件下用途极广的高温合金。由于GH4169良好的综合性能,被广泛用于航空发动机的压气机盘、压气机轴、压气机叶片、涡轮盘、涡轮轴、机匣、紧固件和其它结构件和板材焊接件等 [3]。
我国于70年代开始研制GH4169合金,主要应用于盘件,使用时间比较短,所以采用真空感应加电渣重熔的双联工艺。八十年代开始应用于航空领域,提高和改进材料质量、提高合金的综合性能和使用可靠性成为主要的研究方向。当前GH4169合金的主要研究方向为:
(1)改进冶炼工艺,量化冶炼参数,实现程序稳定操作,使合金显微组织更加均匀,从而得到优良的屈服和疲劳强度以及抗裂纹扩展止裂能力,提高低周疲劳强度等;
(2)改进热处理工艺。热处理工艺不能很好的消除钢锭中心的偏析,所以对组织的均匀性有不利影响,因此采用合理的均匀化退火工艺,得到细晶坯料成为主要研究方向之一;
(3)改进使用设计。由于GH4169的工作温度不能650℃,所以应当加强零部件的冷却,充分发挥该高温合金的、低成本等优点;
(4)提高组织稳定性能。由于航空发动机部件的命要求,对于提高GH4169合金长期时效组织稳定性方面也是至关重要的。