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哈氏合金(Hastelloy alloy)
一、引言
哈氏合金是鎳基合金的一種，目前主要分為B、C、G三個(gè)系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無(wú)法使用的強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)場(chǎng)合，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。其牌號(hào)和典型使用場(chǎng)合如下表所示。
為改善哈氏合金的耐蝕性能和冷、熱加工性能，哈氏合金先后進(jìn)行了三次重大改進(jìn)， 其發(fā)展過(guò)程如下：
B系列 ：B → B-2(00Ni70Mo28) → B-3
C系列 ：C → C-276(00Cr16Mo16W4) → C-4(00Cr16Mo16) → C-22 (00Cr22Mo13W3) → C-2000(00Cr20Mo16)
G系列 ：G → G-3（00Cr22Ni48Mo7Cu） → G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu)
目前使用廣泛的是第二代材料N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)、N06455(C-4)和N06985(G-3)。第三代材料N10675(B-3)、N10629(B-4)、N06059(C-59)處于階段。由于冶金技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)出現(xiàn)了多個(gè)牌號(hào)的含~6%Mo的所謂“超級(jí)不銹鋼”，替代了G系列合金，使得G系列合金的生產(chǎn)和使用迅速下降。
三、力學(xué)性能
哈氏合金的力學(xué)性能非常突出，它具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，所以在機(jī)加工方面有一定的難度，而且其應(yīng)變硬化傾向極強(qiáng)，當(dāng)變形率達(dá)到15%時(shí)，約為18-8不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時(shí)，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點(diǎn)是：
1. 具有更寬的成分范圍 由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計(jì)可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對(duì)于鎳基高溫合金，可通過(guò)調(diào)整成分使γ’含量達(dá)60%或更高，從而在高達(dá)合金熔點(diǎn)85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2. 具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、制造出近終形或無(wú)余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第YI類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時(shí)。已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動(dòng)機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。
第二類：在650～950 ℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時(shí)的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。
第三類： 在950～1100℃ 使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金 這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時(shí)。這是國(guó)內(nèi)使用溫度ZUI高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。
自1956年?duì)t高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國(guó)高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個(gè)階段。
個(gè)階段：從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二個(gè)階段：從20世紀(jì)70年代中至90年代中期，是我國(guó)高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。
第三階段：從20世紀(jì)90年代中至今，是我國(guó)高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、次的新合金。
目前，我國(guó)的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬(wàn)航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。
雖然高溫金屬合金材料在我國(guó)已發(fā)展近60年，但行業(yè)發(fā)展仍處于成長(zhǎng)期。由于高溫金屬合金材料領(lǐng)域具有較高技術(shù)含量，該行業(yè)企業(yè)擁有較深護(hù)城河。我國(guó)高溫金屬合金每年需求量在2萬(wàn)噸以上，國(guó)內(nèi)年生產(chǎn)量在1萬(wàn)噸左右，市場(chǎng)容量超過(guò)80億元，其中進(jìn)口占比較大。未來(lái)20年我國(guó)各類軍機(jī)采購(gòu)需求在2800架左右，民用飛機(jī)采購(gòu)數(shù)量在5400架左右，對(duì)應(yīng)的高溫合金需求在1500億以上，再加上500億的燃?xì)廨啓C(jī)需求，僅高溫合金空間一項(xiàng)就有2000億的市場(chǎng)空間即將打開。
我國(guó)目前的生產(chǎn)能力與需求相比存在兩個(gè)缺口：（1）生產(chǎn)能力不足。目前我國(guó)高溫合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量有限，生產(chǎn)能力與需求之間存在較大缺口，在燃?xì)廨啓C(jī)、核電等領(lǐng)域的高溫合金主要還依賴進(jìn)口。（2）高端產(chǎn)品難以滿足應(yīng)用需求。我國(guó)的高溫合金生產(chǎn)水平與美國(guó)、俄羅斯等國(guó)有著較大差距，隨著我國(guó)研制更高性能的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)，高溫合金材料在供應(yīng)上存在無(wú)法滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)象 [1] 。