前言
高温合金，也叫超合金（Superalloy），这个词的首次使用可以追溯到上世纪40年代，用来描述一类用于涡轮增压器和航空发动机的合金。随着材料科学的发展和应用端提出的新的更高的要求，高温合金一经问世便迅速发展，现如今按照合金基体成分分为铁基、镍基和钴基三个合金大类，以用于高温服役的需求。即使是现在，高温合金的体系仍处在开发进行中的状态。
在这三个合金大类中，铁基高温合金是最弱的，很少在航空发动机里使用。钴基高温合金在航空发动机里属于选择性使用，而镍基高温合金由于其出色的综合性能被广泛使用于航空发动机。
下图显示的是高温合金的发展过程，以及耐高温能力的演变过程。
高温合金简介
高温合金的化学成分较为复杂，有的合金可以达到10种以上的元素。合金的开发和加工工艺的控制就是为了获得优异的高温性能，主要是通过合金的强化机理实现的，包括固溶强化、γ’析出强化、机械合金化等。
前文说过，虽然高温合金可以是铁基或者钴基，但是这两种合金的高温性能和抗氧化抗腐蚀性能无法达到最佳平衡。相比之下，镍基高温合金的使用范围更广。一方面，镍元素有着比较高的溶解度，去容纳更多其它元素，形成面心结构；其强化相γ’能够提供优异的高温强度。另一方面，元素铬和铝的添加，能够形成非常稳定的而且具有保护作用的Cr2O3和Al2O3，产生非常好的环境耐受性，比如抗氧化、抗腐蚀性能。
在航空发动机中的使用主要是锻件和铸件，用于航空发动机的结构件、盘和叶片等耐高温零部件。因此，高温合金又可以分为变形高温合金、铸造高温合金。高温合金在航空发动机中的应用如下图。
高温合金的成分
在高温合金的研制过程中，材料学者通过添加合金化元素、调整合金化比例，配合冶金学、热力学、加工工艺控制等等方法，逐步掌握了各个合金成分的作用，甚至是不同元素之间的交互作用。下表以航空发动机涡轮叶片用钴基高温合金中含有的合金化元素及其作用为例：
我们也发现，不同的航空发动机制造商使用的高温合金是有区别的。下表列出了主流的三家知名公司的盘类高温合金的牌号和化学成分，并与使用最广泛的In718合金做对比。
| 常用 | 普惠 | 罗罗 | 通用电气 | 通用电气 | |
| 元素 | IN718 | IN100 | U720LI | Rene88 | Rene104 |
| 镍 | 54.7 | 60.4 | 55.1 | 56.4 | 50 |
| 钴 | 0 | 15 | 15 | 13 | 20.6 |
| 铬 | 18 | 10 | 16 | 16 | 13 |
| 钨 | 0 | 0 | 1.25 | 4 | 2.1 |
| 钼 | 3 | 3 | 3 | 4 | 3.8 |
| 铝 | 0.5 | 5.5 | 2.5 | 2.1 | 3.4 |
| 钛 | 0.95 | 4.7 | 5 | 3.7 | 3.7 |
| 铌 | 5.35 | 0 | 0 | 0.7 | 0.9 |
| 其它 | 17.5 Fe | 1.0 V | 0 | 0 | 2.4 Ta |
| 碳 | 0.024 | 0.16 | 0.025 | 0.045 | 0.05 |
| 硼 | 0 | 0.14 | 0.018 | 0.016 | 0.025 |
| 锆 | 0 | 0.06 | 0.09 | 0.045 | 0.05 |
高温合金的发展
常用的镍基、钴基高温合金已经达到40种之多，不仅用于盘类结构件，还有用于叶片合金，以及一些特殊应用，如螺栓用高温合金。
首先，我们来看看盘类高温合金的演变过程。随着粉末冶金技术的发展，粉末盘技术的成熟，盘类合金的能力得以很大提高，得到广泛使用。上世纪80年代是第一代的粉末合金盘，最知名的是Rene95，名义使用温度1200℉。到了90年代就开始使用第二代的粉末盘，名义使用温度1300℉。进入21世纪，就已经发展到第三代粉末盘，使用温度已经达到1350℉。2010年前后发展到了第4代，可以使用到1450℉以上；进入2020年已经是第5代粉末合金了，使用温度1550F℉。可见，几乎每10年粉末盘合金就会升级一代，使用温度提高100℉左右。
从这些合金的成分分析，能够看出来，粉末合金的发展趋势是硬度越来越高，所使用的合金元素也是越来越贵，Co、W等含量逐代增加。
我们再来看看叶片类高温合金。从发展历程来看，最早期的是等轴合金，然后开始进入单晶时代。从第一代单晶开始，发展了四代，期间还发展了定向晶。第四代之后还发展了一些特殊的合金，如低铼高温合金、机匣用合金、叶型用合金。
补充一下：同样是高温合金，叶片讲的是蠕变性能、低周疲劳和抗腐蚀性能，所以成分非常关键；而盘类高温合金讲的是疲劳、裂纹扩展和蠕变，所以晶粒度非常关键。
在众多高温合金中，IN718（对应国产牌号GH4169）因为其综合性能优异，成本相对较低，是当前使用量最大的高温合金。不仅如此，这款合金可以通过不同的热处理制度、加工制度满足不同的使用要求，又被分为IN718，HS718, DA718。
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新需求带来的挑战
前文介绍粉末合金的时候说过，一款成功的合金从需求开始到合金投入使用，至少需要10年，再加上最终产品比如航空发动机的测试，所需要的时间就更久了。
如何更快、更便宜的开发合金就成了众多材料科学家梦寐以求的目标。当前，已经有一些材料设计工具可供使用。从需求产生到最终方案，都可以通过软件进行迭代加速研制的进度。材料数据、性能模型、微观组织模型、加工工艺模型、可制造性与成本等设计工具所需要的基础数据才是设计者的知识库，才能加快材料的设计和应用。
除此以外，高温合金的高应变率锻造工艺，热处理制度，焊接工艺如摩擦焊、堆焊，涂层技术都是研究的重点和挑战所在。
总结
高温合金因其在高温下的高强度，具有优异的抗氧化、抗腐蚀能力而被广泛使用。其所需的机械性能可以通过不同的化学成分、不同的加工工艺来获得。
高温合金的成分体系已经成熟。高温合金的未来，通过改变化学成分获得的收益已经越来越低，其改善必须来自加工过程。通过加工模型的建立、加工工艺的控制和改善从而获得量身定制的结构和性能。
当前，我国的高温合金体系完善，跟国外的差距在逐渐缩小。这背后无不饱含着材料科学家们默默地奉献，常年累月做出的巨大贡献。
后记
高温合金博大精深，本文限于篇幅，不包含加工工艺，材料数据，性能等。如有兴趣，欢迎留言或后台联系。
