一、铸造高温合金发展概况

高温合金是在600℃以上，具有优异抗氧化腐蚀性能，具有一定强度的合金材料。按其生产成形方式划分，可以分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。不同的生产方式，对应的合金性能和用途不同。一般来说，铸造高温合金承受温度更高，性能更优异。铸造高温合金的发展开始于20实际40年代。在铸造高温合金发展的初期，铸造叶片晶粒粗大，疲劳性能远低于锻造高温合金。随着真空感应冶炼和真空精密铸造两种新技术的出现，使合金性能和铸造质量大幅提高，镍基铸造高温合金研究进入繁荣阶段，开发了一批合金如：IN100、B1900、MAR-M200、IN713、MAR-M002、Rene125[1~3]。此后，铸造高温合金就一直占据着航空发动机中工作温度最高、应力最复杂的位置，成为制造涡轮叶片和导向叶片的首选材料。

随着铸造高温合金及凝固技术的发展，依靠合金化提高合金的性能已经受到限制，于是出现了定向凝固工艺。定向凝固工艺消除了垂直于应力轴的横向晶界，使铸造合金的力学性能上了一个台阶。随后发展的是消除全部的晶界，即单晶高温合金。定向凝固合金比普通铸造合金性能大幅提高，如在MAR-M200合金基础上研制成功的定向凝固合金PWA1422具有良好的高温蠕变断裂和塑形，热疲劳性能比原合金提高约5倍，单晶工艺使合金热强性进一步提高（30℃）。

我国铸造高温合金是从五十年代发展起来的，虽然起步较晚，但是经过几十年的发展，已经达到了较高的水平。主要是以钢研总院、北京航空材料研究院、中科院金属所三家机构为代表开发了一系列相关牌号的合金，相关牌号见表1。

一般来讲，为满足航空航天、民用等的需求，整个高温合金市场，各类合金应保持一个合适的结构比例。以发展比较完善的美国为例，目前美国高温合金市场，变形高温合金占比55%，铸造高温合金占45%。而我国高温合金产量构成为：变形合金越占总产量的80~90%，铸造合金占10~20%。因此，我国铸造高温合金发展与国外还有很大的差距，从另一个侧面反映铸造高温合金的市场潜力巨大。

表1 我国主要科研单位铸造高温合金牌号

二、铸造高温合金的制备技术

铸造高温合金因成分中活性元素较多，对杂质含量要求严格，故多采用双真空熔铸工艺，即将原材料先在真空感应炉内熔炼并铸造成母合金锭，然后再在真空感应炉内将母合金锭重熔并浇注成铸件[4]。最初的高温合金母合金锭的质量对高温合金铸件的质量有很大影响，使用质量很差的母合金锭是不能生产出可靠的铸件的。因此，从60年代以来，国内先后建立多种真空感应熔炼设备，引进了先进的IS65V8型真空感应炉，研制了一整套较先进的母合金熔炼工艺和净化技术，为高性能铸造高温合金和先进叶片的研制提供了极其重要的保证。目前，在母合金熔炼中，采用高温、高真空加搅拌以及过滤净化措施，已经能炼出纯净度较高的合金。

同时，又随着熔模精密铸造技术的成熟发展，铸造高温合金取得长远发展。熔模精密铸造是一种近净成形工艺，其铸件精密、复杂，接近于零件的最后的形状，可不经加工直接使用或经很少加工后使用[8]。熔模铸造能显著减少产品的成形表面和配合表面加工量，节省加工时间和道具材料的消耗。同时，其能铸造处形状复杂的铸件，也能铸造处壁厚为0.5mm、重量小至1g的铸件，还可以铸造组合的、整体的铸件，以代替由几个零件焊接或装配而成的部件。

定向凝固和单晶叶片的应用是国内外先进发动机的重要标志。因此，从60年代中期起，我国开始研究定向凝固技术。所谓定向凝固，就是控制合金凝固过程，使其沿一定方向生产，最终的组织没有横向晶界，进而具有优异的力学性能。以航材院为代表，从改装设备到引进设备，研制成功功率降低法和铸型移动法定向技术。80年代初期的研究又成功地发展完善了具有我国特色的单晶叶片定向凝固技术。

作为铸造高温合金的前沿方向——单晶高温合金一直是研究的热点。由于没有晶界存在，因此其性能优异，能够承受更高的温度和更苛刻的环境。国内在单晶方面，发展了一种与国外同类技术有所不同的双取向控制法，为此，设计出了一种特殊的螺旋选晶器，取得了良好的效果。

三、铸造高温合金的主要应用

由于铸造高温合金具备了良好的综合性能，通常用作航空发动机、航天发动机以及工业燃气轮机的各种高温零部件，是国防和经济建设中不可缺少的重要材料。目前，铸造高温合金产品主要包括高温合金母合金、先进的发动机部件和燃气轮机（烟气轮机）叶片等高温合金精密铸件产品。

❶航空航天用高温合金

在航空航天方面，铸造高温合金主要应用于航空发动机、火箭发动机的热端关键部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室及整体铸造导向器和整体涡轮等。

导向叶片用材料：K32、K14、K38、K3、K5、K17、DK5、DK3、K19、K002、K20等。

涡轮工作叶片用材料：包括K17、K19等。

部分合金牌号及适用范围归纳见表2。

表2 典型铸造高温合金牌号及用途

合金牌号	主要用途	相当于国外合金牌号
K13	用于750℃以下长期使用的增压涡轮	ЖC-3相近
K32	可用作750℃以下长期工作燃气轮机导向叶片等
K11	用作800℃以下以下涡轮发动机导向器叶片材料	BAT-45Y
K136	用于制作650℃以下工作大型航空发动机涡轮盘
K3	用于制作温度950℃以下燃气涡轮工作叶片	ЖC-6K，IN100相近
K5	用作900~950℃燃气涡轮工作叶片	B-1900
K17G	用于900℃长期工作燃气发动机涡轮转子叶片	Rene100
DK5	用作980℃以下航空发动机涡轮叶片、导向叶片
DK3	用于980~1000℃以下航空发动机涡轮叶片、导向叶片
K19	用于850~1000℃工作的涡轮叶片和1000℃工作的导向叶片	性能与Ford，TRW-VIA相近
K002	用于800~1040燃气涡轮工作叶片，也可用作整铸涡轮	MAR-M002

生产单位包括：钢铁研究总院高纳公司、航材院（621所）、中科院金属研究所、首钢冶金研究所等。需求单位包括：西安航空发动机（集团）有限公司、航天六院十一所、沈阳黎明航空发动机公司、南方航空动力机械公司等单位。主要需求牌号及供货情况见表3。

表3 部分铸造高温合金牌号及规格

❷民用高温合金母合金

随着国民经济的快速发展和高新技术产业化步伐的加快，除传统的航空航天用高温合金材料外，在电力、汽车、石化、能源、冶金、造纸和环境控制等民用工业领域，特殊条件下服役的结构部件都需要高温合金材料来制造，民用高温合金的需求不断提高，市场前景更加广阔，见表4。

表4 民用高温合金母合金概况

合金牌号	规格	客户	机种	合金牌号	规格	客户	机种
K438	Φ80	黎明	128燃机	K648	Φ80	黎明、黎阳	重型燃机
K104	Φ80	黎明	重型燃机	K418	Φ80	北方天力
K88Y	Φ80	黎明	重型燃机	K13	Φ80	北方天力
K191	Φ80	黎明	重型燃机

A、重型燃气轮机用高温合金

由于燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少，甚至不耗水的优点，参与联合循环的燃气轮机组能使整个系统达到更高的热效率，所以燃气轮机在电力、石化、冶金等部门的应用越来越广泛，也越来越受到人们的青睐。随着电力工业的迅猛发展和电网峰差的日趋增大，燃气轮发电也受到国家有关方面的重视，特别是我国电力工业进入结构调整和产业化升级阶段，对于资源的利用率和环境保护越来越重视，因此，燃气轮机发电将进入新的发展高潮。

目前，我国三大电气集团公司（上气、东气、哈气）均采取技术合作、引进后消化吸收的方式分别与GE、西门子、三菱进行合作。但是，这三大生产商对于燃气轮机的关键部件，比如涡轮工作叶片和涡轮导向叶片，仍然采取技术封锁，因此只能采取全面进口。我国目前重型燃气轮机叶片备件费用在1亿美元以上。随着燃气轮机装机容量的增加，叶片备件的市场需求将逐年增加。

与航空发动机相比，工业燃气轮机对高温合金的要求，除了良好的蠕变强度、疲劳强度等高温强度和良好的塑性这些共同点外，燃气轮机还有独特的要求[9]：

.  抗热腐蚀性能要特别好，因为发电或舰用燃气轮机工作环境较航空发动机恶劣，热端关键零件涡轮叶片或导向叶片要经受严重的热腐蚀；

.  很长的工作寿命，要求在工作环境中组织稳定性要好。军用航空发动机的寿命通常只要求几百个小时，民用航空发动机的寿命也只有几千个小时，而工业用燃气轮机则要求几万至几十万小时的寿命。因此，为满足工业燃气轮机要求，需要发展力学性能好、组织稳定的无论叶片和导向叶片用抗热腐蚀高温合金。

我国从1973年开始，已经研制成功多种抗热腐蚀高温合金，主要合金牌号的化学成分见表5，主要以等轴晶铸造高温合金或定向柱晶和单晶高温合金为 主。

表5 燃气轮机用抗热腐蚀高温合金成分

B、汽车增压涡轮用高温合金

涡轮增压器技术在汽车工业中的广泛应用已成为提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段[5]。增压涡轮工作温度高，转速高，叶片上受到多种交变应力的作用，因此要求涡轮材料具有较好的高温力学性能、屈服点和长期组织稳定性以及良好的铸造性能。铸造高温合金因具有足够的热强性、热稳定性和良好的抗机械疲劳、热疲劳性能等优点，被大量用于制作汽车增压器涡轮。

为满足不同工况条件对材料的要求，世界各国开发了多种增压涡轮用高温合金材料。目前国内大量使用的增压涡轮材料是自行研制的K213，K418，K419和K4002等铸造高温合金，国外用于增压涡轮的材料有Inconel713C，GMR235，MAR-M247，MAR-M246，X40等[6]。表6列举了国内增压器涡轮用铸造高温合金的牌号和主要用途[6,7]。

表6 国内增压涡轮用铸造高温合金牌号及用途

合金牌号	主要应用	国外相关牌号
K213	用于750℃下长期使用的增压涡轮及燃气涡轮叶片	Вж-л3
K418	广泛用于不同工作温度下柴油、汽油机增压涡轮；用于900℃下喷嘴叶片及整铸涡轮	Inconel713C
K419	用于1000℃下涡轮空心叶片及整铸涡轮	MN246
K4002	用于800~1040℃下燃气涡轮叶片及整铸涡轮	MAR-M002

我国汽车用涡轮增压器在“九五”期间得到了迅速发展。国家在“九五”规划中对发动机增压比例提出明确要求，装置柴油机的重型汽车100%配置涡轮增压器，中型汽车80%配置涡轮增压器，轻型车40%配置涡轮增压器。随着最近几年我国汽车工业的快速发展，将会有越来越多的汽车采用涡轮增压技术。

国内涡轮增压器生产厂家越20余家。主要厂家有霍尼韦尔涡轮增压系统（上海）有限公司、无锡霍尔赛特工程有限公司辽宁东方增压器集团公司、湖南江雁机器厂、黎明燃气机成套公司等企业。

四、国内铸造高温合金产业

目前，我国铸造高温合金领域呈现“三足鼎立”的态势，即钢研院、中航工业航材院（621所）以及中科院金属所。三家科研机构几乎囊括了国内铸造高温合金生产。

以钢研院为技术支撑，成立的钢研高纳公司主要生产变形高温合金、铸造高温合金母合金及其精密铸件和新型高温合金。2013年铸造高温合金产量达到920吨，收入2.14亿元，其中母合金市场占有率30%以上，精密铸件市场占有率90%。通过真空水平连铸母合金项目和铸造高温合金高品质精铸件项目进一步提升了其生产制造能力。

同样，以中科院金属所作为技术依托而成立的中科三耐新材料有限公司，主要从事耐高温、耐腐蚀、耐磨损高温合金材料及其精密铸件的研究与生产，主导产品包括“高温合金母合金材料、船用增压器叶片、工业燃气轮机热端涡轮叶片、重型燃气轮机热端涡轮叶片、航空航天用特种精密铸件、玻璃棉喷吹离心器等”。保守估计，铸造高温合金这一领域年收入1亿元以上。目前拥有设备有1500Kg真空熔炼炉、500Kg真空感应炉、特种铸造炉等。目前生产高温合金母合金牌号见下表。

Ni基合金
IN713C(K18)	IN713LC(K18B)
B1914	IN100(417)
IN738(LC)	Hastelloy X
Udimet 500	Mar-M246
K417L	K417G
K403	K424
K435	K441
K452	K465
DZ38G(DS)	DZ52(DS)
Rene’125(DS)	DZ417G(DS)
GTD111(DS)	PWA1480(SC)

Co基合金
X40	X45
FSX414
Ni-Fe基合金
In718	K213

北京航空材料研究院（621所），是国内最早从事铸造高温合金母合金锭的研究、制造生产基地，是国内最大的铸造高温合金锭生产研发基地之一，国内唯一用精密铸造方法生产大型等温锻造高温合金模具的单位。由于是国防保密单位，相关设备及技术情况很少能获取到。主要提供的产品见下表。

合金种类		合金品牌
等轴晶	Ni基	K403, K405, K406, K18C,K002, K19, K6C,  K465
	Co基	K640
		Co-Cr-Mo
	Cr基	K825
定向合金	Ni基	DZ4, DZ22, DZ22B,DZ125, DZ5
	Ni3Al基	IC6, IC6A, IC10
单晶高温合金		DD2, DD3, DD4, DD6
功能材料		NdFeB, 储氢合金

五、关于铸造高温合金市场的思考

随着我国“大飞机”、“发动机”等重大专项的启动，国内航空领域对于高温合金的需求量不断提升。但是，由于其严格的资质考核，加上该领域相对严谨保守的做事风格，因此其供应商一般比较固定。对于新成立的民营企业或者外资企业来说，要进入该领域比较困难。

相比较而言，对于民用领域，铸造高温合金的发展也是迎来繁荣，而且其要求的门槛较低，这对于新兴企业来说可谓是一个不错的机会。以汽车为例，随着汽车工业的发展，加上汽车排放标准的提高，涡轮增压器使用比例越来越高。笔者曾经调研过相关民营涡轮增压器企业，其生产装备先进，自动化程度高，对于一个几十人的小企业，年生产量达到300万台，高温合金需求量近300吨。另外，铸造高温合金还应用于内燃机阀座、镶块、进气阀、密封弹簧螺栓的那个部件，这也是值得关注的领域。

此外，高温合金材料在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也有广泛的用途。在玻璃工业中应用高温合金零件多达十几种，如：生产玻璃棉的离心头和火焰喷吹坩埚，平板玻璃生产用的转向辊拉管大轴、端头和通气管等。

总而言之，对于高温合金材料而言，这是一个最好的时期，也是一个最坏的时期。希望此文能对愿意从事该领域研究、生产、投资的广大朋友有所帮助。