近年來，隨著航空發動機等制造技術的不斷提高，高性能高溫合金環件得到了廣泛的應用。這些環形件主要制造燃氣發動機的壓氣機機閘、渦輪機閘、燃燒室機閘、安裝邊、封嚴圈、擋板、殼體等直徑和高度不等的各種環形零件，這類零件使用工況不同對材料也有不同的要求，且隨著發動機推力及推重比的加大，傳統耐熱鋼制造的環形零件正逐漸被變形高溫合金替代。
生產工藝及保溫方式分析
生產工藝分析
目前高溫合金環件的生產主要采用軋制工藝，采用軋制工藝生產環形件的優點為尺寸精度高、材料消耗低、機械加工量少、效率高、成本低；金屬流線完整、環件內部組織致密；設備利用率高、模具壽命長；容易實現自動化、勞動強度低。
另一種生產方式是自由鍛，其特點是投產快，不受重量限制，但材料利用率低，金屬流線差，僅適用于新機研制所需的單件試制或小批量環形鍛件的生產。
保溫方式分析
由于高溫合金材料本身的特殊性，熱加工工藝塑性差，工藝敏感性強，且在環件的軋制過程中，若一味提高軋制溫度，雖然能提高高溫合金的塑性，但會造成晶粒過于粗大，且以軋制的變形程度而言，不足以破碎已經長大的晶粒使其重新形核并長大，容易形成不均勻的內部組織。
當降低軋制溫度時，由于軋制時間較長，坯料在軋制時會持續降溫，導致終軋溫度偏低，使得再結晶的驅動力不足，導致合金的再結晶完成不充分，在顯微組織中容易形成部分的拉長晶粒。與此同時，過度的溫降使得高溫合金的變形抗力增大，容易在坯料表面（尤其是表面棱角處）產生裂紋。因此，相對較低的軋制溫度和良好的保溫措施是一種進行環件軋制較為合適的方法。
目前大多采用包套的方式對坯料進行保溫，室溫下將耐高溫纖維氈包裹在坯料外表面，并用細鐵絲捆綁，再將坯料入爐加熱，以確保坯料在轉移過程中纖維氈不易脫落。在軋制時，由于纖維氈經高溫加熱后脆性增大，會隨著環件軋制變形而逐漸脫落。但是采用軟包套工藝也存在一些弊端：纖維氈的包裹和捆綁鐵絲過程較為復雜，耗時較多，會降低環件的生產效率；品質較好的纖維氈普遍成本較高；脫落的纖維氈會影響車間現場環境，纖維單絲斷裂后會產生微小細絲，容易被人體吸入，沉積于肺部對呼吸系統造成損害。
針對上述問題，我公司成功研制了針對不同溫度、保溫時間下高溫合金軋制的水性保溫涂料，在高溫合金入爐加熱前涂覆于其表面，待干燥后隨坯料入爐加熱即可。其中具有代表性的涂料型號有GZH-3-1 和GZH-5，具體適用工藝如表1 所示。
此類保溫涂料可完美代替軟包套工藝，可以更好地解決高溫合金環件軋制工藝中的坯料保溫問題，減少坯料軋制后表面裂紋，使之更易獲得均勻細小的微觀組織，同時簡化了生產工藝，降低了勞動強度，改善了車間的現場環境。
保溫涂料配方設計
應用于高溫合金環件軋制工藝中的保溫涂料是以多種晶態非金屬氧化物及礦物和非晶態復合玻璃為主要固體基料，并添加一定量的粘接劑、助劑和水配置而成的懸浮液，在坯料入爐加熱前將涂料攪拌均勻并刷涂或噴涂到坯料表面，使涂料均勻地覆蓋于坯料表面，待干燥后形成涂層。在設計涂料配方時，應考慮高溫合金環件軋制的具體工藝，即加熱溫度、保溫時間、爐內氣氛、軋制條件，分別設計出與各類高溫合金基材具有良好兼容性的，且擁有適當高溫黏度、膨脹系數的涂料，以達到與不同的高溫合金環件軋制加工工藝條件的完美匹配。
⑴非金屬氧化物。
具體而言，非金屬氧化物及礦物主要選用SiO2、高嶺土等耐高溫、化學性質穩定、對高溫合金不造成高溫熱腐蝕的硅酸鹽類物質，以保證涂層的高溫穩定性，并利用SiO2 膨脹系數小的特點，使坯料軋制完成后的降溫過程中涂層易于自行剝落。
⑵非晶態復合玻璃。
加入適量高溫黏度與坯料加熱溫度相匹配的玻璃粉，會在坯料入爐加熱過程中迅速熔融成膜，隔絕O2 等氣體，防止高溫合金表面發生氧化及合金內部的元素貧化。目前，不同軟化溫度、高溫黏度玻璃組分的實現，主要通過調整玻璃的化學組成實現，例如：增加玻璃組分中的SiO2、Al2O3、MgO 等化合物可增大玻璃的高溫黏度，而增加玻璃組分中的TiO2、Na2O、K2O、B2O3 等化合物可減小玻璃的高溫黏度，通過高溫黏度儀對玻璃組分在不同溫度下的黏度變化進行檢測，以確定最佳的黏度范圍。
⑶粘結劑。
保溫涂料中的粘結劑直接影響著噴涂或刷涂后涂層在坯料上的附著力，良好的附著力可以使得涂層在干燥后不容易脫落。與此同時，良好的粘結劑還應該保證涂層干燥后易于水洗，這樣在涂覆出現差錯時涂層能易于去除，不至于使坯料報廢。所選用的粘結劑還應該保證無毒、無刺激性氣味，以保證噴涂現場的環境。按照上述要求，本保溫涂料選用新型復合粘結劑，可保證涂層在坯料上的附著力，同時確保了涂層易于水洗，并且對增強涂料的懸浮性能有一定的幫助，避免了長期儲存后涂料出現的沉淀和分層問題。
⑷其他添加劑。
本涂料還借鑒了建筑涂料配方的設計理念，增加了潤濕劑、消泡劑、成膜助劑、增稠劑、分散劑等多功能助劑，將涂料的黏稠度調整到了較為合適的范圍，并提高了涂料的綜合性能。
保溫涂料的防護效果
選用尺寸為φ 35mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣( 圖1(a))，除去試樣表面油污等污漬，再將試樣預熱到80℃左右，涂覆GZH-5 保溫涂料，涂覆厚度控制在300±20μm，待涂料干燥后( 圖1(b)) 與未涂覆GZH-5 涂料的試樣同時放入1150℃爐中，保溫3h，出爐后觀察涂層狀態及試樣氧化情況，如圖2 所示。
由圖2 可見，無涂層的試樣氧化嚴重，失去金屬光澤，有涂層的試樣棱角處涂層自動剝落，仍可見到金屬光澤，且顏色未發生變化，涂層具有很好的防護效果。涂層未完全剝落是因為未對試樣進行熱變形，在實際軋制過程中，經過高溫合金的軋制變形，涂層會在軋制過程中和軋制后逐漸剝落。
保溫效果驗證
⑴ GZH-5 涂料效果驗證。
選用尺寸為φ3 5mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣，按與上述試驗相同的方式處理試樣及涂覆GZH-5 涂料，待涂料干燥后與未涂覆GZH-5 涂料的試樣同時放入1150℃爐中，保溫3h，出爐后用每隔0.5 ～ 1min 拍照記錄試樣狀態，通過觀察試樣顏色來辨別試樣的溫度，如圖3 所示，溫度與顏色對比如圖4。
根據圖3 的顏色狀態，參照如圖4 所示的高溫合金顏色與溫度對應關系圖，可明顯看出GZH-5 保溫涂料的保溫作用，具體保溫效果如表2 所示。
在實際生產過程中，保溫涂料可以在坯料轉運和軋制過程中起到保溫作用，避免高溫合金過度降溫對軋制造成的不利影響。
⑵ GZH-3-1 涂料效果驗證。
為了進一步地表征保溫涂料的保溫效果，選用尺寸為φ 35mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣，按與上述試驗相同的方式處理試樣及涂覆GZH-3-1涂料，待涂料干燥后與未涂覆GZH-3-1 涂料的試樣同時放入1010℃爐中，保溫3h，出爐后放置于室溫耐火磚上，用UNI-T 公司生產的UT303D 非接觸式紅外測溫儀，每隔10s 測定一次試樣溫度，測試結果如圖5 所示。
由圖5 可見，GZH-3-1 保溫涂料的保溫效果非常明顯。圖5 中的試樣溫降較快的原因為試樣體積小，且出爐后置于室溫耐火磚上，試樣會將一部分熱量傳遞給耐火磚。
總結
綜上所述，保溫涂料具有優異的防護、保溫性能，且高溫下無玻璃光澤，不會在高溫軋制時由于潤滑而產生不利影響，其使用工藝簡便、無毒環保，能保證全熱歷程隔絕所有氣體對坯料的影響，并顯著減少高溫合金轉運和軋制過程中的溫降，能廣泛適用于不同溫度下的高溫合金環件軋制工藝。
