单晶高温合金研发概况

单晶高温合金(如无特殊说明，文中单晶合金均指镍基单晶高温合金)主要用于制造航空发动机、燃气轮机热端涡轮叶片，其承温能力是提升发动机性能、效率、可靠性的关键技术指标。在美国、俄罗斯、德国、英国、法国、日本等发达国家，单晶高温合金的 研发工作开展早、技术成熟度高，但对单晶高温合金研发及单晶叶片的研制一直非常重视。

单晶高温合金的研发起始于20世纪70年代的美国普惠公司(Pratt & Whitney)，M. E. Shank、F. Ver‐ Snyder 和 A. F. Giamei 等人在普惠的先进材料实验室中组建和领导了由材料性能、氧化和腐蚀、工艺、难熔金属、陶瓷、化学、X-射线衍射、微观结构等领域相关人员构成的研发队伍。到20世纪70年代中期， 实验室已经在相图、微量元素、γ/γ'共格关系、位错、 反相筹界、层错、位错动力学、析出相成分及动力学、γ'粗化、成分分配、微观偏析、晶界、碳化物、枝晶竞争生长、弹性各向异性等方面开展了大量工作，同时也针对定向凝固、型壳、雀斑等工艺问题进行了深入研究。实验室开发了定向和单晶合金，与供应商密切合作，很快将定向铸件的合格率提升到 90%。 随着单晶叶片在直升机发动机PT6上的成功测试，

到1981年，单晶叶片开始在军用和民用发动机上大量测试。

经过几十年的发展，目前在高强单晶高温合金的成分设计方面已经掌握了一些基本规律[3]，例如：

(1) 要有较高的 Al、Ti、Ta 含量以保证足够高的 γ'相体积分数；(2) γ/γ'两相的错配度必须调整到很小以降低界面能；(3) 要有足够多的固溶强化元素 W、 Mo、Ta、Re、Ru，以保证高温蠕变性能，但这些元素的含量又需要精确控制以防止有害相的析出；(4) 必须保证足够的抗氧化性能。在长寿命抗热腐蚀单晶合金的成分设计中也发现了一些初步的规律[3~5]，例

如：(1) 需要保证足够高的Cr含量、较高的Ti含量以形成稳定的Cr2O3，抵抗熔盐热腐蚀；(2) Mo、W对热腐蚀性能不利，而适量的Ta、Re可能改善热腐蚀性能；(3) γ/γ'两相的错配度要调整到更小以保证合金长期的组织和性能稳定性。

单晶高温合金从第一代发展到第四代，贵金属元素Re、Ru含量不断增加，成本越来越高(典型第二 代单晶合金含3%Re (质量分数，下同)，第三代单晶合金 Re 含量达到 6%，而第四代单晶合金中除了6%Re，同时添加了 3%Ru)。合金承温能力以 20~ 30 ℃/代的速率缓慢提升，但与此同时，单晶叶片的工作温度已经提高到1827 ℃，甚至更高，远远高于单晶高温合金的初熔温度(1280~1330 ℃)。因此单晶叶片工作温度的提升除了依赖单晶合金及防护涂层，更重要的是单晶叶片冷却技术的发展。从早期的实心无冷却叶片，到细直孔、大孔、蛇形/矩阵冷却通道，加上气膜冷却，甚至是复杂的双层壁冷却结构，叶片的冷却效率不断提升。复杂的冷却结构对单晶高温合金的工艺性能提出了很高的要求，如何控制复杂结构和高合金化带来的各种铸造和后处理缺陷也因此成为单晶高温合金研发的重要方向之一。

近年来，我国单晶高温合金研制与应用取得了显著进展，已经具备了单晶高温合金新材料、新工艺自主研发能力，并形成了生产装备比较先进、具有一 定规模的生产基地，特别是近几年在军民融合相关政策的引导和推动下，出现了一批高温合金相关的民营企业，其中绝大多数聚焦于单晶高温合金母合金和单晶叶片的生产。

但是，目前国内航空发动机、燃气轮机用单晶高温合金及叶片大部分仍处于研发、试制、考核阶段， 以需求牵引为主，仅仅初步解决了有无问题，单晶高温合金的研发水平与发达国家仍有很大差距，技术成熟度低，在工程应用中还面临很多问题。

本文概述了近年来单晶高温合金的研发进展。总结了单晶合金近几年的发展及其成分设计方

法；介绍了单晶合金蠕变、疲劳、氧化和热腐蚀机理，以及单晶合金中常见缺陷对力学性

能的影响。在单晶叶片制造工艺方面，总结了高速凝固、气冷、液态金属冷却、以及流态床冷却等 。

几种常见定向凝固工艺的研发和应用现状，并介绍了单晶叶片中几种常见缺陷的形成机制和相关控制技术。