高温合金，也叫超合金，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。高温合金有铁基、镍基和钴基，用于高温服役的需求，至今仍处在开发进行的状态。
高温合金的历史
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。
高温合金技术交流平台
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大会热门话题：
发动机的新材料、新工艺和新结构
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· 浮壁式火焰筒制造
· 快速原型/零件制造
· 特种加工技术
· 特种焊接工艺
· 整体叶片叶轮加工技术
· 整体叶环
· 整体转子
· TIAI 系合金
· 一体化成型、增材制造
陶瓷基复合材料议题
陶瓷基复合材料以是目前航空领域应用较为广泛的先进复合材料。是在极端环境下的燃气涡轮发动机热段部件的重要材料。
· 商用航空发动机陶瓷基复合材料部件研发应用及展望
· 连续纤维增强陶瓷基复合材料
· 高温长寿命陶瓷基复合材料发展
· 纳米陶瓷增强金属基复合材料
· 发动机轻量化
· 先进冷却技术突破
· 降低结构重量提升燃油经济性
·CMC 技术工艺开发
· 抗极端环境性能
· 力学性能测试与分析
· 抗压强度试验
高温合金简介
高温合金成分较为复杂，有的合金可以达到10种以上的元素。在航空发动机中的使用主要是锻件和铸件，用于航发的结构件、盘和叶片。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。
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，因此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。
高温合金的成分
我们以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：
我们再来看看盘类高温合金的化学成分对比：
此处，以罗罗公司为例：
下一代合金：PANACEA，使用温度1400F+；
超高温合金：RR1000，粉末合金，1300~1400F；
高温合金：U720，变形合金、铸造合金；Waspaloy，变形合金、铸造合金；1200~1300F
中温合金：In718 (~20%Fe)、In901（~40%Fe），800~1200F。
盘类合金的演变，随着粉末冶金技术的发展、粉末盘技术的成熟，使得盘类合金的能力得以很大提高，广泛使用起来。上世纪80年代是第一代的粉末合金盘，Rene95，名义使用温度1200F。到了90年代就开始使用第二代的粉末盘，名义使用温度1300F。进入21世纪，就已经发展到第三代粉末盘，使用温度1350F。2010年发展到了第4代，1450F+；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100F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。
盘类合金分析完以后，是叶片类高温合金。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1代单晶开始，发展了4代；期间还有定向晶。第4代之后还发展了一些特殊的合金，如低铼高温合金、护罩用合金、叶型用合金。
此时，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。
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。
René合金的名字由来
René合金的名字来源于41号合金的研究。41号合金研究出来以后，科学家发现其焊接性能非常差，就一度被停用了。随后经过大量的努力，41号合金被成功拯救，并重新投入生产。René在法语中意思是“重生”，于是这个合金就成了现在的René 41。
那么René 后面的数字是什么意思呢？这个要从 René 80 合金说起。René合金的命名早期是跟年份有关。这个合金原名 René 69，是1969年开始广泛用于涡轮叶片的高温合金。但是由于每次开会的时候，人们听到René 69的名字的时候都会发出“爽朗而略显尴尬”的笑声，所以，这个合金就成了第一个用γ’强化元素的含量来命名的合金，3Al+5Ti = 8，再乘以10，所以新的名字就是 René 80 了。
再比如René 125，是因为12.5*10。12.5怎么来的？看看γ’形成元素，参见前文 “合金化元素及其作用”表格，将它们的含量求和可知。
再介绍一个合金René N4。这是通用电气公司第一款单晶高温合金。N的由来是因为这个项目是美国海军（Navy）提供的基金支持，而4是这个项目中合金表里排名第4个合金。主要的是，作为第一款合金，通用电气公司非常谨慎，大量工作用来表征合金的性能，实验室和生产时的缺陷容忍度、疲劳性能、物理性能等。René N4合金与项目中的N4合金相比，成分后来有一些轻微变化。而现在，René N4已经被其它合金完全取代，退出了历史舞台。
这里就顺便提一下那些同样命运悲惨的合金。已经退出使用的有René 100因其糟糕的抗热腐蚀能力，且无法热处理；René 120容易产生裂纹。还有一些是因为价格昂贵，铸造性或者焊接性较差，或者无法热处理，或者抗氧化、抗腐蚀能力差的原因。这些都是前人所走的弯路，值得我们学习思考。
新需求带来的挑战
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。需求产生以后，第一步通常是定义材料和加工工艺，第二步是计算出工艺参数和对应的微观组织，第三步是根据数据和模型计算性能，第四步测试零部件的性能、核算成本，第五步进一步改进和优化。从这个过程可以看出，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。
当前，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。
