新型高温合金材料的研究进展

引用格式：罗炳威，曹丽莉，罗飞，等. 高温合金异形件表面薄膜热电偶研制取得突破性进展[J]. 航空材料学报，2023，43(6)：

117-120.LUO Bingwei，CAO Lili，LUO Fei，et al. Breakthrough progress of thin-film thermocouple development on special-shaped superalloy surface[J]. Journal of Aeronautical Materials，2023，43(6)：117-120.

高温合金异形件表面薄膜热电偶研制

取得突破性进展

罗炳威1*, 曹丽莉2, 罗 飞1, 牟仁德1, 王长亮1, 陈 柳1,

孙 坤3, 徐 毅4,5, 刘 松4,5, 周海涛1,

马可欣1, 田青云1, 史继源1

（1．中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2．北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京100192；3．中国航发沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015；4．中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 绵阳 621000；5．北京航空航天大学 航空发动机研究院，北京 100191）

摘要：在GH5188高温合金异形件表面制备了铂铱薄膜热电偶，并将薄膜热电偶放置于焰流台，测试高温合金异形

件表面的瞬态温度。经过高温高速焰流灼烧四个循环，总测试时长达到8700 s后，铂铱薄膜热电偶仍可以稳定获

取温度数据。这次实验的成功，说明铂铱薄膜热电偶向工程化应用迈出了重要一步。项目团队瞄准薄膜热电偶工

程化应用，研究了薄膜制备技术、界面调控、集成制备及信号与系统等内容，突破了13项关键技术，实现了铂铱薄

膜热电偶的工程应用。该项实验的突破使得国内在叶片模拟服役条件下具备测温能力。

关键词：薄膜热电偶；贵金属；表面测温；高温合金

doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000184中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)06-0117-04

项目名称： 高温合金材料设计与制备的基础研究

首席科学家： 孙晓峰 中国科学院金属研究所

起止年限： 2010年1月-2014年8月

依托部门： 中国科学院

一、研究内容

1. 拟解决的关键科学问题

高温合金中通常含有十几种强化元素，合金化程度较高，强化机理复杂，有的强化元素之间还存在较强的交互作用，认识复杂体系中合金化元素的作用机制是高温合金成分优化和发展先进合金的理论基础，但迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚。高温合金中的纯净化冶炼及凝固缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节，但我国的冶炼水平与欧美等发达国家存在较大差距，对于凝固缺陷的形成机理尚不明确，实际工程中仍然靠经验和反复试制来解决问题，此外，在前期工作中发现现有凝固理论中的枝晶生长机制尚不完善，有待于进一步研究。在热加工方面，粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径，然而，对于热加工过程中的塑性变形动力学、原始颗粒边界和夹杂物等缺陷的形成机理和控制方法等方面仍缺乏系统的理论研究工作。抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障，但由于高温防护涂层服役环境的特殊性与防护涂层的多界面特性，使得抗高温腐蚀涂层的防护机理以及陶瓷涂层与金属涂层界面的相容性等科学问题尚没有得到有效的解决。为了保证发动机的安全可靠性，高温合金材料的性能评价方法和基础数据测试是发动机设计选材的重要依据，国内在高温结构材料的使用性能表征方法以及在服役环境下的损伤特征和寿命预测方面开展了一些研究工作，但还没有形成系统的理论体系。针对上述高温合金设计与制备中存在的问题，本项目拟解决的关键科学问题如下：

（1）复杂多元先进高温合金成分设计及强韧化机理

溶质原子Co、W、Mo、Re、Ru等及微量元素C、B、Hf等在先进单晶高温合金中的原子占位、偏聚与扩散行为；强化相的晶体结构、析出规律及稳定性对高温合金组织及性能的影响；热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学；溶质原子间的交互作用；多元强化合金的成分设计、高温度梯度定向凝固组织与性能调控。

新型高温合金材料的研究与应用

随着现代科技的不断发展，高温合金材料的应用范围也越来越广泛，包括航空航天、能源等领域。因此，研究和开发新型高温合金材料成为当前的热点问题之一。本文旨在介绍新型高温合金材料的研究和应用情况，并探讨其未来的发展趋势。

一、什么是高温合金材料

高温合金是指在高温（通常指摄氏800度以上）下仍能保持较好的物理性能和化学性能的金属材料。它们具有高强度、高耐热性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等优异性能。常见的高温合金材料包括镍基合金、钴基合金和铁基合金等。其中，镍基合金是应用最广泛的高温合金材料。

二、新型高温合金材料的研究

在现代工业中，需要使用高温合金材料的领域越来越广泛，比如航空航天、航海、能源、化工等等都需要使用高温合金材料。因此，对于高温合金材料的研究已经成为了当今世界的重点研究方向之一。

1. 针对高温合金材料的研究

新型高温合金材料主要有两种研究方向：一是利用现有的高温合金材料进行改良；二是研究新的高温合金材料。

在针对现有高温合金材料进行改良的方面，主要是通过控制它们的化学成分和加工成形工艺等方面进行研究，以提高它们的性能。例如，改变钴基高温合金的微观组织与晶界结构，增强其高温强度和塑性变形能力；采用复合结构、溅射、机耐等新技术制备出新型的合金材料。

在研究新的高温合金材料方面，主要是利用一些新材料及其合成方法，在满足一定性能要求的同学下，降低制备成本，提高其应用范围。例如，采用机械合金化技术制备出镍铝合金材料，具有优异的高温抗氧化性能和化学稳定性。

2. 针对高温合金材料的应用研究

高温合金材料的应用范围逐渐扩大，而细节上的应用难点和问题也随之增多。比如，在航空航天领域的利用，需要快速掌握合金材料的物理性能和力学性能等关键性能指标，确保运载飞行器、发动机等工作在恶劣的高温环境下仍能运作稳定。同时，在能源产业领域中应用，需要将高温合金材料应用于功率和发电设备中，进行高温高压部件的制造，提高设备效率和使用寿命。

高温合金材料发展现状与趋势

高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性能的材料。这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。本文旨在对高温合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。

一、 高温合金材料的分类

高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基高温合金。其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应用于各种高温领域。

二、 高温合金材料的发展现状

高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。20世纪50年代中期，美国医生·布拉斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。 目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。

三、高温合金材料的未来趋势

1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用

单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。

2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点

复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。

3. 新型高温合金材料将不断发展