高温合金

超级合金或高性能合金是一种能够在其熔点的高分数下运行的合金。 高温合金的几个关键特性是出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。

晶体结构通常为面心立方 (FCC) 奥氏体。 这种合金的例子有哈氏合金、因科镍合金、Waspaloy、Rene 合金、Incoloy、MP98T、TMS 合金和 CMSX 单晶合金。

高温合成金的发展在很大程度上依赖于化学和工艺创新。 高温合金通过固溶强化和来自伽马素和碳化物等二次相析出物的析出强化来提高高温强度。 铝和铬等元素可提供抗氧化或抗腐蚀能力。 高温合金通常被铸造成单晶——虽然晶界可以在低温下提供强度，但它们会降低抗蠕变性。

这种合金的主要应用是航空航天和船舶涡轮发动机。 蠕变通常是燃气轮机叶片的寿命限制因素。

高温合金是使许多超高温工程技术成为可能的材料。

由于这些合金旨在用于高温应用（即在接近其熔点的温度下保持其形状），因此它们的抗蠕变性和抗氧化性至关重要。 镍 (Ni) 基高温合金因其独特的 γ' 析出物而成为这些应用的首选材料。 这些镍基高温合金的性能可以在一定程度上通过添加许多其他元素来定制，这些元素既常见又奇特，不仅包括金属，还包括类金属和非金属； 铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼或铪是所用合金添加剂的一些例子。 这些添加剂中的每一种都被选择用于优化高温应用性能的特定目的。

抗蠕变性部分取决于减慢晶体结构内位错运动的速度。 在现代镍基高温合金中，存在的 γ'-Ni3(Al,Ti) 相充当位错运动的障碍。 出于这个原因，当这种 γ' 金属间相以高体积分数存在时，由于其有序的性质和与 γ 基体的高共格性，会显着提高这些合金的强度。 铝和钛的化学添加促进了 γ' 相的产生。 γ' 相尺寸可以通过仔细的析出强化热处理来精确控制。 许多超级合金是使用双相热处理生产的，这种热处理会产生立方体 γ' 粒子的分散体，称为主相，这些粒子之间的精细分散体称为二次 γ'。 为了提高这些合金的抗氧化性，加入了Al、Cr、B、Y。 Al 和 Cr 形成氧化层，使表面钝化并保护高温合金免于进一步氧化，而 B 和 Y 则用于改善该氧化层与基材的附着力。 Cr、Fe、Co、Mo、Re均优先分配到γ基体中，Al、Ti、Nb、Ta、V优先分配到γ'析出物中，分别固溶强化基体和析出物。 除了固溶强化外，如果存在晶界，则选择某些元素进行晶界强化。 B 和 Zr 倾向于偏析到晶界，这会降低晶界能量并导致更好的晶界内聚力和延展性。 另一种形式的晶界强化是通过添加 C 和碳化物形成剂（例如 Cr、Mo、W、Nb、Ta、Ti 或 Hf）来实现的，这会促使碳化物在晶界处析出，从而减少晶界滑动。

虽然镍基高温合金是优异的高温材料并且已被证明非常有用，但与镍基高温合金相比，钴基高温合金可能具有优异的抗热腐蚀、抗氧化和耐磨性。 为此，在过去几年中也致力于开发钴基高温合金。 尽管如此，传统的钴基高温合金并未得到广泛应用，因为它们在高温下的强度低于镍基高温合金。 造成这种情况的主要原因是——直到最近——它们似乎缺乏对镍基高温合金的高温强度非常重要的 γ' 析出强化。 2006 年一份关于具有 L12 结构的亚稳态 γ'-Co3(Al,W) 金属间化合物的报告表明，Co 基合金可以替代传统的 Ni 基高温合金。