研发航天航空执行标准合金材料GH4043

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”。

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

国内发展
自1956年炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。
个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。
第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列、次的新合金。
我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。
虽然高温金属合金材料在我国已发展近60年，但行业发展仍处于成长期。由于高温金属合金材料领域具有较高技术含量，该行业企业拥有较深护城河。我国高温金属合金每年需求量在2万吨以上，国内年生产量在1万吨左右，市场容量超过80亿元，其中进口占比较大。未来20年我国各类军机采购需求在2800架左右，民用飞机采购数量在5400架左右，对应的高温合金需求在1500亿以上，再加上500亿的燃气轮机需求，仅高温合金空间一项就有2000亿的市场空间即将打开。
我国生产能力与需求相比存在两个缺口：
（1）生产能力不足。我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口，在燃气轮机、核电等领域的高温合金主要还依赖进口。
（2）产品难以满足应用需求。我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大差距，随着我国研制更的航空航天发动机，高温合金材料在供应上存在无法满足应用需求的现象

制备工艺
1、铸造冶金工艺
各种铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。
不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣炉。
固溶强化型合金和含铝、钛低（铝和钛的总量约小于4.5%）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。
2、结晶冶金工艺
为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外，为了消除全部晶界，还需研究单晶叶片的制造工艺。
3、粉末冶金工艺
粉末冶金工艺，主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。
4、强度提高工艺
⑴固溶强化
加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。
⑵ 沉淀强化
通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以强化合金。γ‘相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。
γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强：
①增加γ‘相的数量；
②使γ’相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；
③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；
④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相，而用碳化物强化。

材料特性
高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀。
耐高温、耐腐蚀
高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。 以GH4169 镍基变形高温合金为例，可看出GH4169 合金中铌含量高，合金中的铌偏析程度与冶金工艺直接相关，GH4169 基体为Ni-Gr 固溶体，含Ni 质量分数在50%以上可以承受1 000℃ 左右高温，与美国牌号Inconel718 相似，合金由γ 基体相、δ 相、碳化物和强化相γ'和γ″相组成。GH4169 合金的化学元素与基体结构显示了其强大的力学性能，屈服强度与抗拉强度都优于45 钢数倍，塑性也要比45 钢好。稳定的晶格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能。
加工难度高
高温合金由于其复杂、恶劣的工作环境，其加工表面完整性对于其性能的发挥具有非常重要的作用。但是高温合金是典型难加工材料，其微观强化项硬度高，加工硬化程度严重，并且其具有高抗剪切应力和低导热率，切削区域的切削力和切削温度高，在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损非常严重等问题。在一般切削条件下，高温合金表层会产生硬化层、残余应力、白层、黑层、晶粒变形层等过大的问题。

单晶高温合金单晶合金材料已发展到第四代，承温能力提升到1140℃，已近金属材料使用温度极限。未来要进一步满足航空发动机的需求，叶片的研制材料要进一步拓展，陶瓷基复合材料有望取代单晶高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用。单晶高温合金叶片研制难度和周期与其结构复杂性有关，普通复杂程度的单晶叶片研制周期较短，但在航空发动机上应用也需经历较长的时间。从单晶实心叶片到单晶空心叶片、到气冷复杂空心叶片等，技术难度跨度很大，相应的研制周期跨度也较大。一般一种普通复杂程度的单晶空心叶片从图纸确认、模具设计到试制、再到小批投产，需要1～2年时间。但单晶叶片由于其复杂的服役环境，需要进行大量的验证试验，一般一种普通结构的单晶空心叶片从研制出来以后到航空发动机上应用需5～10年的时间，有的随发动机研制进度，甚至需要15年或更长的时间