耐热金属材料发

耐热金属材料发

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耐热金属材料的发展
耐热金属材料是在高温下使用的 金属材料。一般来说，加工硬
化的金属被加热到某一温度以上，变形的晶格产生变化，发生再结
晶，这个温度就是再结晶温度。金属的再结晶温度约为金属熔点温
度的12（绝对温度）。耐热金属材料 主成分金属的熔点和再结晶
温度见表1。
表1 耐热金属材料主成分金属的熔点和再结晶温度
金属
熔点，℃
再结晶温度，℃
Mg
650
189
Al
660
194
Cu Ni Co Fe Ti Nb Mo
1085 1455 1495 1583 1670 2469 2623
406 591 611 633 699 1098 1175
W
3422
1575 < br>金属材料承担保证结构件强度的作用，一般采用为提高强度添
加合金元素的合金金属材料。合金金 属材料的温度达到纯金属再结
晶温度时不立即发生软化，例如，Ni 基超合金在大大超过纯金属
Ni 再结晶温度（如在1000℃左右）的 条件下，可以连续使用数万
小时。
1 耐热金属材料的特性要求
对耐热金属材料要 求的特性是多种多样的，见表2。对不同用
途的耐热金属材料所要求的特性是不同的，其中必须具备的特 性是
高温抗氧化性、耐蚀性、足够的强度以及加工性和低成本。广泛使
用的高温金属材料是以F e、Ni、Co 为主成分的合金。
表2 对耐热金属材料要求的特性
物理性能
化学性能
力学性能
熔点、密度、热传导率、热膨胀系数、扩散速度等
在含有高温空气、水蒸气CO、CO2、H2S 等的各种燃烧废气、熔融盐及其他环境下具有抗氧化
性、耐蚀性和氧化层密着性等。
高温下的 强度、延性、韧性，蠕变强度、疲劳强度、、抗热疲劳性、抗热震性、在高温下长
期使用的稳定性等。
加工制造性 能够进行熔炼、铸造、锻造、轧制、焊接、烧结，制造成所要求的形状尺寸的部件。
经济性 原料费、加工费低廉，制造的工艺低成本化。
1.1 抗氧化性和耐蚀性的耐热涂层
除了高温大气环境，还有多种高温环境下的氧化和腐蚀问题。
这些氧化和腐蚀不仅是材料的表面 现象，而且会深入到材料内部，
特别是会发生沿晶界的晶界侵蚀现象。Fe、Ni、Co 在纯金属状态
下，不具有足够的抗高温氧化性和高温耐蚀性。为满足不同的使用
要求进行了大量的研究。
火力发电用钢的使用期限要求是10 万小时或10 年，按照这个
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使用期限，碳素钢的使用温度极限是400℃。钢中添加Cr，在钢的
表面会生成致密的氧化物层，起着保护内部钢材的重要作用。含Cr
钢在氧化气氛中的抗氧化极限温 度，因要求的使用时间和允许的腐
蚀程度不同而不同，但可以确定的是Cr 是提高使用温度极限的有
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效元素。例如，在100h 氧化时间内允许因氧化重量增加10mgmm 的
前提下， 10%Cr 钢的使用温度极限约为850℃，18%Cr 钢的使用温
度极限约为1000℃。
在耐热钢中，在添加Cr 的同时也复合添加Al、Si、Zr 等元素。
但对于Ni 基超合金来说，γ'相的析出起着重要的强化作用， Cr
含量增加会影响γ' 相的强化作用，因此同时提高Ni 基超合金的
抗氧化性、耐蚀性和强度有很大困难。先进的Ni 基超合金为了提
高使用温度，趋向于降低Cr 含量，而利用对钢材部件进行表面喷
涂的方法提 高抗氧化性和耐蚀性。将强抗氧化、抗腐蚀物质涂覆到
部件表面的耐热涂层的方法有以下几种：
1）金属扩散法。
2）等离子喷镀、减压喷镀等喷镀方法。
3）化学气相沉积法（CVD）。
4）物理气相沉积法（PVD）。
1.2 高温强度
耐热钢最基本的力学性能就是蠕变特性。例如在火力发电设计
中，将使钢材产生0.01%10 万小时蠕变速度的应力（蠕变强度）
或10 万小时发生断裂的应力（10万小时蠕变断裂强度）作为设计
的依据。
10 万小时相当于11 年5 个月，对各种高温设备的不同用材，
在各种不同的温度、应力条件下进行如此 长时间的试验，获得高可
靠性的设计资料，需要花费大量的资金、人力和时间。1966年日本
金属材料技术研究所（NRIM）开始进行建立蠕变数据库的项目，该
项目目前由日本物质材料研究机构 （NIMS）继续进行，已经公布了
大量的NIMS蠕变数据。其中单试样连续试验时间于2011 年2 月末
打破了德国创造的356463 小时的世界纪录。
在对大量蠕变数据进行解析的 同时，开展了长时间蠕变寿命预
测方法“区域分割解析法”的研究。根据“区域分割解析法”，对
火力发电重要材料铁素体不锈钢的允许拉伸应力进行了修订。
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表3 高温用钢及耐热合金的标准汇总
类别
耐热钢
锅炉、热交换器用钢管
锻钢
铸钢
耐蚀耐热超合金

形状、种类和JIS 号 牌号
棒材（JIS G 4311）、板材（JIS G 4312） SUH、SUS
碳素钢（JIS G 3461） STB －HTB
合金钢（JIS G 3462） STBA －HTB
不锈钢（JIS G 3463） SUS －HTB
高温压力容器用合金钢（JIS G 3203） SFVA
高温高压用（JIS G5151） SCPH
高温高压用离心铸造钢管（JIS G5202） SCPH －CF
耐热钢及耐热合金（JIS G 5122） SCH
棒材（JIS G 4901）、板材（JIS G 4902） NCF
2 主要耐热金属材料及其特点
以Fe 为主成分的高温合金是耐热钢。经对日本工业标准（JIS）
和国际标准化组织标准（ ISO）进行整合，两个标准都规定耐热钢
的Cr 含量在10.5% 以上。此外，另有与上述耐热钢标准不同的锅
炉和高温压力容器等用钢标准。表3 是这些高温用钢及耐热合金标
准的汇总。
3 耐热金属材料的发展
3.1 耐热钢
不锈钢不仅具有常温耐蚀性，而且具有良好的高温抗氧化性，
所以，在早期就把不锈钢作为耐热 钢使用，其中也有一些对成分进
行改进发展起来的不锈钢。
从强度方面来说，碳素钢的使用温 度极限约为400℃。对于更
高的使用温度，则有添加以Cr为主的多种合金元素的铁素体（α）
耐热钢和马氏体（基体也是α）耐热钢。铁素体耐热钢的优点是价
格低廉、加工性好、热膨胀系数小， 因此部件在加热冷却过程中产
生的热应力小。马氏体耐热钢是高温急冷形成的马氏体组织，不经
处理使用时蠕变性能差，所以要进行比使用温度高100℃的回火处
理使组织稳定化。
铁素体耐热钢和马氏体耐热钢基体α 相都是体心立方（bcc）
晶格。纯铁在912 ℃ 发生α—γ（面心立方fcc）同素异构体转变，
转变温度因合金元素的不同而不同。bcc 结构的α 相的蠕变强度
小于fcc 结构的γ 相，以α 相为基体的耐热钢在600℃以上时，
常出现抗蠕变性不足的情况。
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对于γ 相来说，除了利用固溶度大的合金元素进行固溶强化，
还可 以利用碳化物的析出强化。因此，在添加抗氧化性Cr元素的同
时，添加8% 以上Ni 的fcc 基体的奥氏体（γ）耐热钢成为耐热钢
中的重要钢类。
奥氏体耐热钢的成分组成是Fe-18 Cr-8Ni，基本成分是18-8不
锈钢（SUS304），但为了进一步提高抗氧化性和耐蚀性，增 加了Cr
含量，并且添加了Mo 及其他合金元素提高钢的高温强度，成为可
以在更高温度下使用的耐热钢。
现行的JIS 标准中的耐热钢，按主要合金元素可分为Cr 系耐
热钢和Cr-Ni 系耐热钢两大类。按组织特征，Cr 系耐热钢可分为
铁素体耐热钢和马氏体耐热钢，而Cr-Ni 系耐热钢又称为奥氏
体耐热钢。
锅炉、热交换器用钢管与耐热钢不同，在JIS 标准中有专 门标
准，见表3。目前，设备设计所需要的耐热钢的高温强度数据仍不
够充足，但高温高压设计 所需要的锅炉、热交换器用钢管的蠕变特
性已经有了丰富的试验数据。
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图1 是低合金钢和不锈钢10 万小时蠕变断裂强度的比较。图
中，Cr-Mo 钢的使用温度比碳素钢约提高100℃，而18Cr-8Ni等4 种
奥氏体耐热钢比Cr- Mo钢的使用温度提高100℃以上，由此可见，fcc
钢在高温强度方面具有优越性。但是，奥氏体耐热钢的缺点是含有
高价的Ni 和因热膨胀系数大，在受热和冷却时容易产生热应力。
为适应锅炉等设备操作高温化的需求，在图1 的各钢种的基础上，
进行了许多开发工作。耐热性良好的18Cr12NiNb 钢（SUS347HTB）
650℃ 10 万小时蠕变断裂强度约为85MPa，添加少量的Cu 和N 成
为18Cr9NiCuNbN 钢（或SUS304J1HTB），650 ℃ 10 万小时蠕变断
裂强度达到168MPa，进一步增加Cr、Ni 并添加W 成为
22.5Cr18.5NiWCuNbN 钢（或SUS310J3TB），650 ℃ 10 万小时蠕
变断裂强度达到203MPa。
此外，在改进廉价的、容易使用的铁素体耐热钢，用 来替代奥
氏体耐热钢方面也一直在进行不断的努力。
3.2 超级耐热合金
耐热合金主要有Ni 基和Co 基两种，此外，与Ni 基和Co基耐
热合金不同的还有在耐热钢中大量添加Cr、Ni，而Fe 含量减少到
大约超过50% 的耐热材料。这种材料与其说是钢的延伸，到不如称
之为Fe 基超级耐热合金或Ni-Fe 基超级耐热合金。
喷气发动机的开发始于20世纪30 年代，相应地提出了耐高温
材料的要求。从40 年代以来进行了一系列的Co 基和Ni 基的超级< br>耐热合金开发工作。特别是随着飞机高速重载化的发展，为适应发
动机燃烧器、定子叶片、转动叶 片等部件在苛刻高温环境下运转的
要求，Co 基、Ni 基超级耐热合金有了快速发展，大大超过了Fe 基
超级耐热合金的强度水平。
超级耐热合金 在1000℃高温下仍具有高强度和良好的韧性，可
用来制造在苛刻高温环境下承受大应力的转动部件。 Ni基超级耐热
合金的发展和耐热温度的提高是在合金中除了添加Mn、Mo 等固溶
强化元素，还通过添加Al、Ti 使金属间化合物N3（Al、Ti）析出，
产生析出 强化。随着合金元素添加量的增加，虽然高温强度升高，
加工性却下降，用锻造方法制造部件变得困难。
20 世纪50 年代，Co 合金精密铸造方法给Ni 合金部件制造带
来转机，采用精密铸造方法可以铸造出曲面形状复杂的喷气发动机
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转动叶片的近终形铸件。因此，可以不受加工性制约，开发出添加
更 多合金元素的新合金，促进了喷气发电机的高性能化。
此外，还有采用陶瓷型芯并用空气对叶片内部进 行冷却的中空
转动叶片和定子叶片制造方法、定向凝固生成柱状晶（DS）以及单
晶体（SC） 的转动叶片制造方法，这些方法大大提高了部件的高温
强度和耐用温度。DS材和SC 材已于80 年代用于欧美的民用飞机发
动机；在日本， DS 材已经用于发电燃气轮机。
超级耐热合金的设计方法也在不断发展。在SC 材方面，继第1
代SC 材之后相继开发出含3%Re 的第2 代和含5%-6%Re的第3 代SC
材。日本NIMS 采用独有的超级耐热合金的设计方案，开发出含5%Re
和2%-3%Ru的第4 代、含6.4%Re 和5%Ru的第5 代SC 材。
TMS162 是2004 年日本小泉等人开发的世界最高水平的Ni 基
单晶体超级耐热合金。该合金在Ni-Co-Co- Mo-WAl-Ta-Hf 合金系的
基础上添加了4.9%Re 和6.0%Ru，使合金的137MPa-1000h 的耐用温
度达到1105℃。耐用温度达到1105℃不仅表示可以在该温度下使
用，而且根据 Larson-Miller 外插法进行换算相当于在1050℃下
可以使用 10000h。 但是，燃烧器用的超级耐热合金不需要很高的强度，但要求可
以制造成薄板，并具有良好的抗氧化性 、耐蚀性和焊接性。因此，
多使用较低强度的超级耐热合金。
3.3 超级耐热合金今后的发展方向
飞机离地起飞时喷气发动机入口最高温度可达1500-1700℃。< br>在日本，公称温度为1500℃的大型发电燃气轮机已于1999 年实用
化，以1700 ℃公称温度为目标的发电燃气轮机国家项目正在开发，
2011 年2 月对J 型燃气轮机进行实际运转，成为1600℃世界最高
温度、单机额定功率约32 万kW 的燃气轮机，2015 年将有6 台这
种燃气轮机在电力公司投入使用。
2011 年3 月的东日本大地震使核发电发生了很大的转折。相
应地，可再生能源的利用将会迅速增加，但是当前仍然 需要进一步
提高火力发电效率、降低CO
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排放，为此就需要实现火力发电超高温化操作。因此，高性能耐热钢和超级耐热合金的开发仍是非常必
要的。
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