1.1.1 镍基高温合金

镍基高温合金是一种高温合金,其基体为镍基(含量一般大于50%),在 650~1000℃的温度范围内,具有较高的强度，以及具有良好的抗氧化性和抗气体腐蚀性，耐腐蚀磨损性能好，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升[2]。分析了高温合金在高温环境下的应用现状得出，使用镍基高温合金的范围远大于Fe基和Co基高温合金。镍基高温合金也是中国应用最广泛的高温合金。很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室，甚至涡轮增压器都使用镍基合金作为制备材料。镍基高温合金主要用于在950~1050℃下航空航天领域的航空发动机工作叶片、涡轮盘和燃烧室等结构部件。随着中国工业建设的发展,镍基高温合金也逐渐应用于能源、交通、石化、冶金矿山、民用玻璃材料等领域。目前,镍基高温合金主要用于涡轮增压柴油机和内燃机、工业燃气轮机、内燃机座椅、转向辊等。

镍基高温合金是在Cr20Ni80合金的基础上发展起来的。为了满足高温热强度在1000℃左右(高温强度、抗蠕变、高温疲劳强度)和对气体介质的抗氧化和耐腐蚀性的要求,在原有的合金中加入大量的强化元素,如W、Mo、Ti、Al,以及添加Nb、Co等,以确保其优异的高温性能。除了固溶强化的作用外,高温合金更依赖于Al、Ti与Ni,以形成金属间化合物γ′相(Ni3Al或Ni3Ti)的析出强化，和一些细小而稳定的MC的沉淀强化,M23C6碳化物的晶内弥散强化,以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是为了进一步提高高温合金的抗氧化性和耐高温腐蚀性。镍基高温合金具有良好的综合性能,在航空航天、汽车、通信、电子等领域得到了广泛的应用。随着镍基合金的潜在性能的研究,研究人员对镍基合金的性能提出了更高的要求，国内外学者对镍基合金的等温锻造、挤压变形、包套变形等新技术进行了研究[3]。

在高温下,抗氧化性由Al2O3和Cr2O3保护膜提供,因此镍基合金必须包含这两种元素中的一种或两种。特别是当强度不是合金的主要要求时,应特别注意合金的高温抗氧化性和耐热腐蚀性。高温合金的氧化性能随合金元素含量的变化而变化。虽然高温合金的高温氧化行为非常复杂,但通常用氧化动力学和氧化膜的组成来表征高温合金的抗氧化性。赵越[4]等人发现K447在700~950℃恒温氧化过程中的氧化动力学符合抛物线规律:在900℃作为完全抗氧化剂级,在900~950℃作为抗氧化级,K447氧化物膜被分为3层。最外层是松散的Cr2O3和TiO2的混合物,和少量的NiO和NiCr2O4尖晶石；中间层含有Cr2O3；内氧化物层是Al2O3,并且含有少量的锡。温度越高，表面氧化物的颗粒变大，导致表面层疏松，氧化反应加速进行。

李维银[5]等研究在950℃下新型镍基高温合金的氧化行为时使用静态增重法发现，氧化动力学也遵循抛物线规律，在氧化过程中发生了内氧化，氧化膜以Cr2O3为主，并且含有（Co,Ni）Cr2O4、Al2O3及TiO2。

Ni基高温合金可溶解较多的合金元素,如Cr、W、Mo、Co、Si、Fe、Al、Ti、B、Nb、Ta等。将这些合金元素添加到基体中可以产生合金强化效应,从而对镍基高温合金的性能产生影响,对合金的组织起一定的改善作用。

1.1.2 铁基高温合金

铁基高温合金又可称作耐热合金钢，是以铁为基, 配以多种元素的合金化作用来提高其高温机械性能和高温抗腐蚀性能的特种合金。它的基体是Fe元素，加入少量的Ni、Cr 等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体钢、奥氏体钢、珠光体钢、铁素体耐热钢等[6]。铁基高温合金的使用温度要低于一般的镍基高温合金，大概在600℃~850℃之间。铁基高温合金在作为燃气轮机热端部件中的涡轮盘来应用时，通常工作温度为750℃以下，因此铁基高温合金在涡轮盘材料的使用中占有重要地位。铁基高温合金相对于镍基和钻基高温合金而言, 价格低廉, 是一种普遍应用于国防、能源、航空以及核反应等领域的高温结构材料[7]。