高溫合金通常是指能在600℃以上的高溫下及一定的應力作用下長期工作,具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變等性能的一類合金材料,其特性不是強調(diào)耐受高溫度,而關鍵在于使用溫度下所具有的高強度、高硬度和高穩(wěn)定性。高溫合金通常含有30-40種元素以上,但多以鐵、鈷、鎳為基礎元素。近年來,高溫合金材料能較大提升航空航天用發(fā)動機的性能,因此市場容量穩(wěn)健增長。
高溫合金按基礎元素、成型工藝和強化方式大體可分為三類(括號內(nèi)為合金材料應用范圍的占比)。按合金所包含的基礎元素為維度進行劃分:分為鐵基高溫合金(占14.3%)、鈷基高溫合金(占5.7%)和鎳基高溫合金(占80%);按合金制造工藝為維度進行劃分:分為變形高溫合金(占70%)、鑄造高溫合金(占20%)和新型高溫合金(粉末高溫合金);按合金強化方式為維度進行劃分:分為固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型和晶界強化型。
高溫合金軍工應用占比八成,航空航天是主要需求力量。高溫合金因兼具高溫和高強度等突出性能,故廣泛應用于軍用航空、航天發(fā)動機、艦船和工業(yè)用燃氣輪機的核心熱端部件。
高溫合金是先進航空發(fā)動機的主體材料。渦輪風扇發(fā)動機(渦扇發(fā)動機)是目前航空發(fā)動機的主要類型,高溫合金主要應用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件以及機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件,其中壓氣機葉片和渦輪盤主要使用變形高溫合金,渦輪葉片主要使用鑄造高溫合金。航空發(fā)動機中高溫合金的使用量占比在50%以上。
高溫合金是艦船燃氣輪機重要的結構材料。燃氣輪機的結構形式與飛機的噴氣式發(fā)動機相類似,其構造主要由空氣壓縮機(壓氣機)、燃燒室、葉輪系統(tǒng)(渦輪機)及回熱裝置。高溫合金主要應用在燃燒室和渦輪葉片上,且與航空高溫合金葉片相比,燃氣輪機用高溫合金的性能要求更嚴苛。
高溫合金在航天發(fā)動機中占據(jù)較大比重。航天發(fā)動機主要由固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機構成,液體火箭發(fā)動機是彈道導彈、運載火箭和航天器的主要動力裝置,具有比固體火箭發(fā)動機易控制、可重復運動等優(yōu)勢,因此應用較廣泛。液體火箭發(fā)動機主要由燃燒室和噴管、渦輪泵、活門自動器等三大部分組成,燃燒室和渦輪泵因所處工作環(huán)境溫度較高,故需要采用高溫合金材料。