中国高温合金发展史

创业 2025-02-01 10:01 重庆

了解中国高温合金的历史对于理解中国航空航天工业和科技发展具有重要意义。‌

高温合金是一种在高温环境下具有优异性能的金属材料，‌广泛应用于航空航天、‌能源、‌化工等领域。‌中国在高温合金的研究和生产方面取得了显著成就，‌其历史可以追溯到1950年代，‌当时中国开始研究高温合金，‌并在随后的几十年中取得了重要的技术进步和突破。‌

起始阶段：‌1956年，‌中国正式开始研究高温合金，‌最初的研究是在前苏联的帮助下进行的，‌成功研制了GH3030等合金。‌

发展阶段：‌20世纪60年代至70年代，‌中国在高温合金的生产和研究方面取得了显著进展，‌不仅仿制和发展了苏联的高温合金及其工艺，‌还引进和试制了一批欧美体系的高温合金。‌

成熟阶段：‌进入20世纪80年代，‌中国在高温合金的研究和生产方面达到了一个新的高度，‌形成了一个完整的高温合金系列，‌能够生产多种形状的高温合金产品，‌如板、‌棒、‌饼、‌环、‌带、‌丝、‌管及专用零部件等。

此外，‌中国在高温合金的研究和生产过程中，‌不仅注重技术创新和材料性能的提升，‌还注重环境保护和资源节约，‌发展了一系列具有特色的工艺技术，‌为中国的航空事业和其他工业领域的发展提供了有力的支持。

‌了解这些历史，‌有助于理解中国在材料科学和技术创新方面的进步，‌以及这些进步如何推动国家经济的发展和国防实力的提升。‌同时，‌这也为未来的研究和开发提供了宝贵的经验和启示，‌有助于推动高温合金及其他先进材料的研究和应用向前发展。

学习了解高温合金材料，个人认为最经典的著作莫过于中国科学院金属研究所郭建亭研究员的《高温合金材料学》，今天给大家分享书中关于中国高温合金发展的相关介绍。从我国老一辈材料科学家的第一视角看中国高温合金的发展历程。

歼5

高温合金的发展离不开航空发动机的发展，而航空发动机的发展与各种军用飞机的发展密切相关。中国航空工业自1951年4月开始建立，经历了从修理、仿制、改进、改型到自行研制的道路。最初仿制前苏联的米格15飞机，国产化飞机命名为歼5，国产化发动机叫做WP5（涡喷5），中国高温合金的生产就是从试制 WP5 发动机所需高温合金开始的。

涡喷-5是沈阳航空发动机厂根据苏联BK-1Φ发动机的技术资料仿制的第一种国产涡喷发动机。涡喷-5是一种离心式､单转子､带加力式航空发动机，属于第一代喷气发动机。首批涡喷-5发动机在1956年6月通过鉴定，开始投入批量生产。

1956年初经当时第二机械工业部和重工业部批准，由抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、钢铁工业综合研究所（后改为钢铁研究院）、航空材料研究所和沈阳发动机制造厂共同承担WP5发动机火焰筒材料GH3030合金的试制任务。当年3月26日，在前苏联专家指导下，由抚顺钢厂炼钢车间6号电弧炉（容量为3吨）熔炼出第一批两炉钢锭，因可锻性不好，锻造开坯产生裂口，于是开始第二批冶炼，改用不同脱氧剂也未成功，第三批在6月份冶炼，在总结前2批经验的基础上，顺利地将钢锭锻成板坯，表面质量良好。板坯送鞍山钢铁公司第二薄板厂，由于当时没有冷轧钢板机，决定用平板机轧冷板，想尽多种方法克服各种困难，终于轧出了第一张GH3030冷轧薄板。经航空材料研究所和沈阳发动机厂检验，并由前苏联技术部门复验，证明国产GH3030板材符合技术条件要求。1957年，沈阳发动机厂用国产GH3030板材加工成火焰筒，在 WP5 发动机上通过了长期试车考核，我国第一个高温合金正式试制成功。因此，1956年3月26日这一天就是中国正式生产高温合金划时代的纪念日。

GH3030固溶强化型高温合金是早期发展的80Ni-20Cr固溶强化型高温合金，化学成分简单，在800℃以下具有满意的热强性和高的塑性，并具有良好的抗氧化、热疲劳、冷冲压和焊接工艺性能。合金经固溶处理后为单相奥氏体，使用过程中组织稳定。主要产品是冷轧薄板，也可以供应棒材、环件、丝材和管材等变形产品。主要用于800℃以下工作的涡轮发动机燃烧室部件和在1100℃以下要求抗氧化但承受载荷很小的其他高温部件。GH3030具有较强热加工及冷加工性能，用于制作各种化工设备及配套配件。

继GH3030试制成功之后，抚顺钢厂又试制成功WP5用涡轮片合金GH4033和涡轮盘合金GH34（是一种马氏体耐热钢，以后在航空发动机上不用了，这一牌号也就不算高温合金了），航空材料研究所试制成功涡轮导向叶片材料 K412铸造镍基合金。到1957年底，歼5飞机发动机用4种高温合金全部试制成功。抚顺钢厂成为我国第一个变形高温合金试制生产基地，北京航空材料研究所成为我国精密铸造工艺开发基地之一。GH3030合金板材生产在1960年正式投产，在批生产后发现严重质量问题，焊接性能不稳定，火焰筒出现严重裂纹，致使沈阳发动机厂3000多个火焰筒停产。经过航空材料研究所、钢铁研究院和中国科学院金属研究所有关科技人员的技术攻关，到1962年GH3030合金的冶金质量问题终于被解决。

1958年为配合歼6飞机用WP6发动机的生产，开始对WP6涡轮片合金GH4037、火焰筒材料GH3039和鱼鳞片材料GH3044开展试制工作。当年年底GH3039和GH3044两个合金在沈阳发动机厂通过长期试车。1959年中苏关系恶化，1960年前苏联中断了高温合金的供应。中国高温合金生产从此开始走上全部立足于国内的独立自主道路。为解决WP6发动机用三大关键高温合金GH4037、GH3044和GH3039存在的一些冶金质量问题，1963年抚顺钢厂与钢铁研究院、航空材料研究所和中国科学院金属研究所组成的攻关组，用了一年时间进行反复试验，三种高温合金质量都达到技术要求，并于1964年通过了长期试车考核。应该指出，抚顺钢厂把电渣重熔工艺应用于GH4037合金，由于夹杂物含量降低，热加工塑性提高，为 GH4037合金的试制成功奠定了基础，也为高温合金生产开辟了新的途经。

歼6

涡喷-6

涡喷-6是沈阳发动机厂在苏制Pд-9Б喷气发动机基础上仿制并发展而形成的一个发动机系列型号。涡喷-6于1959年7月定型，是中国首型超音速航空发动机，属于轴流式单转子带加力燃烧室的涡轮喷气发动机。1984年沈航首次将中国独创的沙丘驻涡火焰稳定器（北航高歌发明）成功应用于涡喷-6的改进型，彻底解决了Pд-9Б所固有的振荡燃烧现象。涡喷-6系列发动机是产量最大国产航空发动机，总产量高达29316台，主要用于歼-6系列和强-5系列国产战机，仍有相当数量在役。

歼7飞机用WP7发动机关键涡轮叶片材料GH4049于1962年由抚顺钢厂和钢铁研究院正式开始试制。采用双真空（真空感应炉+真空自耗炉）冶炼成直径180mm的140kg圆锭，在抚顺钢厂老五压420轧机上直接轧成棒材，制成WP7级工作涡轮叶片，1965年在WP7I-01发动机长期试车成功。航空材料研究所、沈阳发动机厂、中国科学院金属研究所、航空工艺研究所对合金的复验、模锻、切削加工性能开展了相应工作。

歼7

涡喷7是黎明发动机制造公司于1963年按前苏联Р11-Ф-300发动机开始仿制的，1965年全面展开试制，1966年12月国家验收，1967年小批生产，1967年6月8日生产定型。1968年转至黎阳公司试制，1970年开始批量生产。在使用初期出现了不少影响可*性、耐久性与维修性的结构问题，通过改变结构、更换材料和改进工艺基本排除故障。首翻期为100h，总寿命300h.1980年后涡喷7原型基本停产。

由于中国缺少镍，而高温合金大多都含有 50%以上的镍，为了节约镍，利用国产资源，几乎在同一时期，中国科学院金属研究所、航空材料研究所、钢铁研究院、抚顺钢厂和上海钢铁研究所等单位都开展了以铁代镍的高温合金研究工作。先后研制成功 GH2135、GH1140、GH2130、GH2302和K213 等铁基高温合金，开创了中国自主研制高温合金的先河。

中国科学院金属研究所（简称“金属研究所”）成立于1953年，是中华人民共和国成立后中国科学院新创建的首批研究所之一，创建者是中国物理冶金学家李薰先生。1999年5月与中国科学院金属腐蚀与防护研究所整合建立新的“中国科学院金属研究所”，2017年国家科技部依托金属研究所建立沈阳材料科学国家研究中心，2019年成立师昌绪先进材料创新中心，2020年成立材料腐蚀与防护中心。

中航航发北京航空材料研究院（代号：621所）简称：中国航发航材院。是中国航空发动机集团直属的技术研究单位，主要开展航空发动机战略性、前沿性、基础性研究，是国家级科研事业单位。为突破航空信燃发动机研制的“瓶颈”，摆脱航空动力长期受制于人的被动局面，2016年12月28日，由中国航空发动机集团组建的中国航空发动机研究院在北京正式挂牌成立。

钢铁研究总院，是材料、工艺、测试三大领域的国际一流研发中心。

钢铁研究总院创建于1952年，原为冶金行业最大最权威的综合性研发机构。1999年转制为中央直属大型科技企业。2007年初成为中国钢研科技集团公司的全资子公司和核心研发平台。

1958年在师昌绪先生指导下，中国科学院金属研究所高温合金研究组，研制了铁基高温合金808，为保持高的持久性能，选定的固溶处理温度达1220℃，接着到抚顺钢厂进行工业试验。因中心缩管特别深，锻造不能成材，只好暂停研制。1962年9月30日作者作为全国第一批高温合金专业的大学毕业生，分配到中国科学院金属研究所高温合金研究室，一位组长加上我这一位组员在师昌绪先生指导下，重新开始研制 808(GH2135)合金，从合金成分和成分范围、热处理、组织结构到全面性能进行了全面系统研究。1964年开始到抚顺钢厂进行扩大工业试验，这时人员增多，在1968年后，作者成为 GH2135 研究组负责人之一，GH2135合金首先制成26mm棒材，在沈阳发动机厂加工成 WP5发动机涡轮叶片，在三种不同发动机上共进行7次挂片试车和整台份试车，其中4次挂片试车在发动机修理厂进行，都顺利通过了试车考核，试车时间最长达882h，三次半台份或整台份试车在发动机制造厂进行。由于叶片比重较GH4033轻，两者频率不同，发动机某一阶段的频率与 GH2135叶片固有频率相同，发生共振而折断，因而停止了叶片材料的研制，另一方面开展了 GH2135 制作涡轮盘的研制。GH2135 涡轮盘先后在5个机种上进行 20多次长期试车，然后正式装于WP-6和WP-6甲，在外场正式使用，最长者使用寿命达619h。其中GH2135涡轮盘用于WP-6甲发动机有369台，用于WP-6原装发动机有788台，总计1157台。还有300台装有GH2135 涡轮盘的发动机援外。GH2135自1967年正式列入“冶标”，转入批生产，至1974年，冶金厂生产量在1000t以上。有关 GH2135 合金的研制成果1978 年获全国科学大会重大科研成果奖。

师昌绪（1920年11月15日—2014年11月10日），河北徐水人。金属学及材料科学家，战略科学家，中国科学院学部委员（院士），中国工程院院士，第三世界科学院院士。生前是中国科学院金属研究所名誉所长、研究员，国家自然科学基金委员会特邀顾问。

师昌绪1945年毕业于西北工学院；1948年获得美国密苏里大学矿冶学院硕士学位；1952年6月从圣母大学毕业，并获得博士学位；1955年—1984年任职于中国科学院金属研究所；1978年任中国科学院金属研究所副所长；1980年当选为中国科学院学部委员（院士）；1980年—1986年任中国科学院金属研究所所长；1986年2月任国家自然科学基金委员会副主任；1994年任中国工程院副院长，并当选为中国工程院院士；1995年当选为第三世界科学院院士（现发展中国家科学院院士）；2014年11月10日在北京逝世，享年94岁。

师昌绪长期从事高温合金、合金钢、金属腐蚀与防护等领域的研究。

航空材料研究所研制成功的GH1140铁基板材合金，抗冷热疲劳性能好，塑性高已达到或接近GH3030和GH3039的水平，制作WP6发动机火焰筒已成批生产。GH1140已成为一种优良的、生产量最大的火焰筒材料，1966~1977年冶金厂生产量在4000t左右。有关 GH1140合金的研制成果已获1978年科学大会奖。

钢铁研究总院研制的铁基铸造合金K213合金是中国目前比较理想的750℃以下工作的增压涡轮材料，它可作为750℃左右工作的燃气轮机、烟气轮机的工作叶片和导向叶片材料，K213 烟气轮机叶片最长寿命已达 24500 小时。

中国科学院金属研究所研制的 GH2035A 铁基变形合金，制成涡轮螺浆发动机一级涡轮内、外环等零件已投入民航使用，其研究成果获中国科学院科技进步一等奖，国家科技进步三等奖，并获中国发明专利证书。

中国科学院金属研究所研制成功的铁基高温合金GH2984，在舰艇上制作主锅炉过热器，使用寿命长、效果良好。用这种过热器装备舰艇已进行 10万km 远洋航行，其研究成果获中国科学院科技进步一等奖。

在同一时期，中国除了开展以铁代镍的高温合金研制外，还开展了以铸代锻的高温合金研制，航空材料研究所先后研制成功铸造铁基合金K211和K414，铸造镍基合金 K403、K405和K406(GMR-235D)。中国科学院金属研究所研制成功美国最成熟的铸造镍基合金IN100(K417)，钢铁研究总院研制成功铸造镍基合金K418(INCo713C)等。

1962年，中国科学院金属研究所以师昌绪先生为组长，胡壮麒先生为副组长的大课题组，开始研制K417 合金作增压器。1964年开始研制高空高速歼8飞机用WP7甲发动机空心涡轮叶片，这种叶片叶身中要铸出9个小孔，最细直径只有0.8mm，而在侧面由进气口处还要有一个弯角，冷却效果达100℃，在克服了诸如型芯材料、定位和脱芯等多种困难后，1966年通过WP7甲发动机试车和歼8飞机试飞考核，最后在沈阳发动机厂定点生产，后转贵州批生产。30年来，K417空心叶片已生产了30多万片，至今仍用作多种先进歼击机的一级涡轮叶片，这一成果1985年获国家科技进步等奖。铸造空心涡轮叶片的使用，中国仅比美国晚了5年，比英国和前苏联都要早。这是一个先进高温合金和工艺的应用推动航空发动机发展的一个典型例子。为满足WP7甲涡轮入口温度提高的需要，在 GH4033合金基础上研制成功GH4133B 涡轮盘合金，同时研制成功 GH3128 火焰筒材料。此外，中国还研制了一些涡轮螺桨发动机和一些其他航空发动机，相应研制了一些不同类型的高温合金。

歼8

中国工程院院士、金属材料专家

胡壮麒（1929年08月31日-2016年07月10日），中国共产党党员，上海市人，金属材料专家，中国工程院院士、亚太材料学院院士，中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，大连交通大学材料科学与工程学院特聘教授。

1952年胡壮麒从上海沪江大学化学系毕业后进入中国科学院金属研究所工作；1981年前往美国麻省理工学院材料系学习；1986年担任中国科学院金属研究所高温合金与特种铸造研究室主任；1989年担任中国科学院金属研究所学委会主任；1990年担任博士生导师；1992年担任快速凝固非平衡合金国家重点实验室主任；1995年当选中国工程院院士；1997年当选为亚太材料学院院士；1998年担任北京科技大学金属材料国家重点实验室学术委员会副主任；2003年获得何梁何利基金科学与技术进步奖；2016年7月10日在沈阳逝世，享年87岁。

胡壮麒长期从事高温合金、非平衡合金的研制及其它新材料和新工艺的研究。

中国高温合金的发展历程已有50年，分为两个阶段。第一阶段是从1956年到70年代初，这一阶段可以看作是中国高温合金的创业和发展阶段。在这期间，中国高温合金从无到有，质量达到了前苏联技术标准和实物水平。甚至有些合金超过了当时苏联的实物水平，并且独立研制了一批中国自己的高温合金。我国高温合金的研制和生产规模逐渐扩大，现已具备年产一万吨盘、棒、板、丝、带、环和管材的生产能力，满足国内需求。

第二阶段是从20世纪70年代中期至90年代末，这一阶段是中国高温合金发展的提高阶段。在这期间，我国先后试制了一些欧美航空发动机，并相应试制了一批欧美体系的高温合金，如GH4093（Nimonic 93）、GH4710（Udimet 710）、GH4105（Nimonic 105）、K409（B1900）、K4002（Mar-M002）、GH4080A（Nimonic 80A）、K640S（X-40）、K423（C1023）、GH5188（Haynes 188）、GH5605（L605）以及GH2901（Incoloy 901）、GH4500（Udimet 500）和GH4169（Inconel 718）等合金。这些新研制的合金要求在纯洁度、均匀性和综合性能方面达到比前苏联更高的水平，使我国高温合金的生产工艺和质量水平又上了一个新台阶，接近甚至基本达到了西方先进工业国家的水平。中国高温合金的发展进入了一个新的阶段，为我国航空航天等高温环境应用领域提供了强有力的支持。

进入20世纪 90年代，中国设计出自己的先进航空发动机，科研部门研制了一批具有先进水平的高温合金，如定向凝固镍基高温合金 DZ417G、DZ4125L等，单晶合金 DD403、DD402和 DD406 等，试制了一些西方镍基定向凝固高温合金DZ4125（Rene125）、DZ640M(X40M)和粉末冶金涡轮盘用镍基合金FGH4095等。

DZ417G 定向凝固镍基高温合金是中国科学院金属研究所作者领导的研究小组于1993年开始研制的，它是一个具有知识产权的专利合金，这一合金的特点是比重轻、强度高、中温塑性好、蠕变疲劳性能优异和价格便宜，适于制作先进航空发动机低压涡轮叶片。经10多年精心研究，目前已在先进航空发动机通过试车和试飞考核，转入批量生产。

为了满足中国在21世纪对能源的需求，大量引进和制造了各种型号的中型和重型燃气轮机。为满足这些发动机的需求，中国正在研制一批西方和前苏联的抗热腐蚀高温合金，例如铸造涡轮叶片合金K444、K435、K452、K446以及变形合金涡轮叶片合金GH4413等，还有涡轮盘合金GH4698和GH4742等。这些合金不仅需要具备良好的抗热腐蚀性能，还需要具备长达10万小时的使用寿命，因此组织的稳定性成为了一个非常重要的指标。21世纪可以看作是高温合金研制和生产的第3阶段，即燃气涡轮发动机用抗热腐蚀高温合金的研制和生产阶段。随着时间的推移，我国生产的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室用高温合金在不同年代有了不同的发展，如图1-2(a)、(b)~图1-4所示。

经过50多年的努力，中国在高温合金领域取得了惊人的成就。建立了以抚顺钢厂、上钢五厂和长城钢厂为主的变形高温合金生产基地，以及中国科学院金属研究所、航空材料研究院和钢铁研究总院为主的铸造高温合金母合金生产基地。不仅如此，还拥有经验丰富、理论水平较高的生产和科研队伍。通过不断的研发，成功研制出了近200种高温合金，使中国成为继美国、英国和前苏联之后的世界第四个拥有高温合金体系的国家。加之多年来的努力，中国累计生产了超过6万吨各类高温合金，并保证了我国5万多台航空发动机及航天火箭发动机的生产和发展需求。同时，这些高温合金也满足了其他民用工业及部分工业燃气轮机的需求。来源：AMLetters摘自高温合金材料学

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