摘要：文章介绍了航天用高温合金的分类、一般强化原理及热处理方法。对航空航天用高温合金的基本性能、成分发展的主要特点以及主要强化元素的作用进行了归纳和总结，对航天用高温合金的发展方向和应用前景作出了展望。

关键词：高温合金；单晶；强化元素；稀土

高温合金的发展历史就是航空航天发动机的进步历史。喷气发动机的出现使高温合金的研制进入一个全新的阶段，喷气式发动机热端部件特别是涡轮叶片对材料的耐高温性能与机械性能提出了新的、更高的要求。英、美等发达国家相继开发了很多合金，如Mar-M合金系列等。

高温合金的组织结构为独一的奥氏体，在服役温度下具有优异的组织可靠性。它的合金程度很高，因此，在英、美等发达国家被叫作超合金[1]。

1 单晶高温合金的分类、强化原理与热处理方法

众所周知，单晶合金最重要的优点是晶界的消除，这就导致晶界的强化元素急剧减少，合金的初熔温度却迅速提升，同时使合金固强化处理的温度范围增加。1980年以后，单晶合金的研制得到了迅猛发展，人們陆续研制出了第一批单晶，如CMSX-2型；第二批单晶高温，如含3 wt.%Re的CMSX-4型，它们的使用温度比第一批单晶高出30 ℃以上；第三代单晶，例如含约6 wt.%Re的CMSX-10型，它的使用温度比第一批高出60 ℃以上。

单晶高温合金含多达十几种元素。通常所说的合金强化就是指把多种合金元素添加到基体中，出现一些强化效应，如固溶强化效应、晶界强化效应等。实质上高温合金的发展演变历程正是高温合金与诸多强化理论相融合的历程。高温合金基本性能可根据其组织结构来决定，因此确定合金元素时，其热处理工艺对合金的组织的影响就更加重要。主要的热处理方法包括：加热温度变化法、保温时间变化法以及冷却速度变化法等多种特殊的热处理技术。

2 合金成分发展的主要特点

单晶高温合金的发展经历了以下几个阶段：第一批无Re单晶、第二批单晶（约3 wt.%的Re元素）、第三批单晶（约6 wt.%的Re元素）。单晶高温合金的化学成分的发展有下变化[2]。

2.1 晶界强化元素的限量使用

在基体中加入了一些强化晶界的合金元素，例如C，B，导致合金的初熔温度逐渐地下降。因为单晶合金并不存在晶界，所以在第一代镍基单晶高温合金中并不含有这些元素，但是在第三代单晶高温合金中又添加了这些元素。

2.2 Cr元素含量降低

在第一批单晶当中，元素Cr的加入量占10 wt.%左右，但是，到了第二批的单晶里却减小至6 wt.%左右，再到后来的第三批合金中，Cr含量一般低于5 wt.%，例如，在CMSX-10单晶合金中，Cr元素的含量约占3 wt.%。

2.3 难熔金属总量不断增加

添加难熔元素是为了增强单晶合金的高温机械强度，如Re，W，Ta，Mo等元素。

3 主要强化元素的作用

单晶合金中含有的常见元素有Ni，Al，Cr，W，Re，Ru，Hf，Mo和Co等。这几种强化元素在单晶合金中十分重要，如固溶强化作用、晶界强化作用和沉淀强化作用等，下面将对这些元素在合金中的作用作简要介绍[3]。

3.1 Al

Al是最主要的g?相形成元素，同时也是最重要的抗高温氧化元素。在高温下Al能与空气中的O发生反应，生成具有良好保护性能的Al2O3膜，显著提升了该合金的抗高温氧化和腐蚀性能。

3.2 Cr

Cr在单晶合金中主要以固溶强化的方式分布于基材中，有一小部分与C反应生成了碳化物。众所周知，Cr在高温合金中的最主要作用是抗高温氧化与热腐蚀，如果使合金具有极佳的抗热腐蚀性能，那么Cr的含量必须在15%以上。

3.3 Co

Co在镍基合金中主要存在于g相，它可以减小基体层错能，有效地提升合金强度和抗蠕变性能。

3.4 W和Mo

W和Mo是常见的难熔与强化元素，它们能够增强原子之间的结合强度，提高扩散能，使合金中多种元素的扩散速度逐渐降低。

3.5 Re

单晶高温合金中添加Re能够显著增强合金的耐温能力。例如，添加了第二代单晶合金，其服役的温度比无Re的第一批单晶提高了约30 ℃，而第三批单晶的服役温度又比第一批单晶高出60 ℃以上。

4 发展方向和推广前景

在21世纪初，人们已经研制出高Re基础上加入Ru，Ir等元素的第四代和第五代单晶合金。在单晶合金中加入少量的Re，如Ce，Y等能够有效增加基材的抗氧化性，这是镍基单晶合金将来发展和设计的新方向，具有极佳的推广前景。

[参考文献]

[1]黄乾尧，李汉康。高温合金[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[2]ERICKSON G L.The development and APPlication of CMSX-10[C].Warrendale：Superalloys，1996.

[3]ZHANG J X，WANG J C，HARADA H，et al.The effect of lattice misfit on the dislocation motion in superalloys during high-temperature low-stress creep[J].Acta Materialia，2005（17）：4623-4633.