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(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(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(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(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(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)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(gòu)為代表開發(fā)了一系列相關(guān)牌號的合金，相關(guān)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(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，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，從另一個側(cè)面反映鑄造高溫合金的市場潛力巨大。

表1 我國主要科研單位鑄造高溫合金牌號

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，對雜質(zhì)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(nèi)熔煉并鑄造成母合金錠，然后再在真空感應爐內(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熔煉設(shè)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(shù)，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(jīng)能煉出純凈度較高的合金。

同時，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(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(nèi)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(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，進而具有優(yōu)異的力學性能。以航材院為代表，從改裝設(shè)備到引進設(shè)備，研制成功功率降低法和鑄型移動法定向技術(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。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(jīng)濟建設(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(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用于航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機的熱端關(guān)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。

生產(chǎn)單位包括：鋼鐵研究總院高納公司、航材院（621所）、中科院金屬研究所、首鋼冶金研究所等。需求單位包括：西安航空發(fā)動機（集團）有限公司、航天六院十一所、沈陽黎明航空發(fā)動機公司、南方航空動力機械公司等單位。

隨著國民經(jīng)濟的快速發(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(guān)方面的重視，特別是我國電力工業(yè)進入結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)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(shù)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(chǎn)商對于燃氣輪機的關(guān)鍵部件，比如渦輪工作葉片和渦輪導向葉片，仍然采取技術(shù)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(guān)鍵零件渦輪葉片或?qū)蛉~片要經(jīng)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(jīng)研制成功多種抗熱腐蝕高溫合金，主要合金牌號的化學成分見表5，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

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(zhuǎn)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(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(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(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，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(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(zhì)精鑄件項目進一步提升了其生產(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(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真空感應爐、特種鑄造爐等。

北京航空材料研究院（621所），是國內(nèi)最早從事鑄造高溫合金母合金錠的研究、制造生產(chǎn)基地，是國內(nèi)最大的鑄造高溫合金錠生產(chǎn)研發(fā)基地之一，國內(nèi)唯一用精密鑄造方法生產(chǎn)大型等溫鍛造高溫合金模具的單位。由于是國防保密單位，相關(guān)設(shè)備及技術(shù)情況很少能獲取到。

五
關(guān)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(nèi)航空領(lǐng)域?qū)τ诟邷睾辖鸬男枨罅坎粩嗵嵘５?，由于其嚴格的資質(zhì)考核，加上該領(lǐng)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(lǐng)域比較困難。

相比較而言，對于民用領(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(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，自動化程度高，對于一個幾十人的小企業(yè)，年生產(chǎn)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(nèi)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(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)中應用高溫合金零件多達十幾種，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(lǐng)域研究、生產(chǎn)、投資的廣大朋友有所幫助。

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