姚進軍 高聯(lián)科 鄧斌

鎳基高溫合金的工作溫度一般是800～1 000℃，其化學(xué)性質(zhì)良好，尤其是具有高溫抗氧化和抗腐蝕性，另外還有良好的抗疲勞性。鎳基高溫合金應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，其中主要是在航空航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域應(yīng)用，例如航空發(fā)動機、導(dǎo)彈等[1]。這些領(lǐng)域的應(yīng)用都對鎳基高溫合金的純凈度要求較高，在加工和生產(chǎn)鎳基合金的過程中極易產(chǎn)生雜質(zhì)，影響材料的純凈度，進而可能影響材料的抗腐蝕性能，同時大大降低了相關(guān)部件的使用壽命，對其適用范圍也造成了一定的限制。

一、鎳基高溫合金的發(fā)展歷程

鎳基高溫合金無疑是高溫合金領(lǐng)域中重要的一部分，這主要是基于其良好的特性。鎳基高溫合金在20世紀(jì)40年代初期被發(fā)現(xiàn)并研究成功，當(dāng)時是在噴氣式飛機對合金性能提出了更高要求的情況下而進行研制的。1945年，英國成為第1個生產(chǎn)出鎳基合金 Nimomic75（Ni22Cr-1.5Ti）的國家，之后英國根據(jù)發(fā)展需要提高鎳基高溫合金蠕變強度，在原有基礎(chǔ)上添加適量的鋁元素，進而研制出新型的鎳基合金Nimomic84（Ni22Cr-4.5Ti）[2]。在之后的一段時間里，美國和蘇聯(lián)相繼研制成功類似合金，我國在20世紀(jì)50年代相繼研制出幾種類似功能的合金。

從鎳基高溫合金的發(fā)展歷程可以看出，其主要有2個發(fā)展方向：第一是對鎳基合金元素構(gòu)成的重新組合，使其更好地發(fā)揮出性能；第二是鎳基高溫合金生產(chǎn)工藝的革新，不斷利用最新技術(shù)和設(shè)備對其進行研制。在20世紀(jì)50年代時期，科學(xué)家經(jīng)過不斷的研制，發(fā)現(xiàn)了真空熔煉技術(shù)，這一技術(shù)的誕生和發(fā)展為鎳基高溫合金的發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)上的條件；20世紀(jì)60年代，發(fā)達國家研制出的熔模精密鑄造工藝，制造了一大批具有良好高溫強度的鑄造合金；之后的幾年內(nèi)，相繼制造出了性能更好、更穩(wěn)定的單晶高溫合金，甚至在這段時間里還研制出了粉末冶金高溫合金；而航空航天技術(shù)的發(fā)展，對高溫合金提出了更高要求（抗熱腐蝕性能較好和組織穩(wěn)定）[3-4]。在從20世紀(jì)50年代初到90年代末的40年時間內(nèi)，隨著鎳基高溫合金的發(fā)展，其工作溫度不斷得以提高，從而進一步提高了它的適用范圍。

二、鎳基高溫合金的強化機理及組織特點

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用范圍最為廣泛的一種合金，同時也是同類中高溫性能最好的一種合金，尤其是在同等高溫條件下的性能遠高于其他合金。其主要的化學(xué)性能有以下幾點：第一，鎳基合金中可以溶解多種的合金元素，這就對其性能的改善甚至增強起到了很大的幫助，另外鎳基合金還有較強的組織穩(wěn)定性，在特殊環(huán)境下應(yīng)用效果良好；第二，鎳基合金具有較強的抗氧化和抗腐蝕能力，尤其是含鉻的合金其性能更是強于其他類型，例如鐵基高溫合金[5]。

1.固溶強化

對鎳基高溫合金性能強化的主要手段是添加適量的固溶強化元素，利用這些元素自身的特性改造高溫合金性能。固溶強化型合金有著優(yōu)良的抗氧化和抗疲勞性能，最突出的優(yōu)點是組織穩(wěn)定性，同時還有較好的可塑性?；谶@些特性，鎳基高溫合金可用于生產(chǎn)工作溫度較高的金屬零部件，如發(fā)動機的扇葉。鎳的原子半徑和鎢、鉬等合金元素的原子半徑基本一致，基于這些特性，可使鎳同時溶解大量的鎢、鉬和鈷等合金元素，卻不會出現(xiàn)新的相[6]。根據(jù)目前的研究表明：常見金屬的一般固溶溫度范圍可以明顯界定，一般在1 050～1 560℃之間。

美國曾經(jīng)研制出一種性能優(yōu)良的固溶強化型合金——鎳基變形高溫合金Haynes280，這種合金不僅具有較強的工作溫度，同時在1 400℃的高溫時，其強度可達165MPa、延伸率可達87%。這主要是因為在合金中加入了難熔金屬元素，例如鎢和鉻等元素；同時為了阻礙晶粒的發(fā)展和強化晶界，在研制過程中添加少量的碳元素以形成碳化物達到強化的目的[7]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的類似合金在1 400℃的高溫強度條件下其強度僅為85MPa左右，與國外相比存在一定的差距。

2.沉淀強化

現(xiàn)階段，各國提高鎳基高溫合金的強度和硬度的方式基本一致，對鎳基高溫合金添加一定量的沉淀強化元素可以使合金在時效時析出γNi5（Al，Ti））相，大大提高了金屬的強度，同時也會極大促進高溫合金硬化的工作。在添加少量金屬元素之后析出的細小彌散可以有效地阻止晶粒的生長。此外，通過添加一定量的稀土可以極大的改善抗氧化腐蝕的性能[8]。為了追求良好的高溫蠕變強度、抗氧化和抗腐蝕性能，在生產(chǎn)過程中增強對其的沉淀固化，這一工藝主要是用來生產(chǎn)制作高溫工作的零部件，如燃氣輪機的渦輪葉片等。另外，鎳基合金還在國防工業(yè)、化工、石油冶煉領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用[9]。

3.氧化物彌散強化

沉淀硬化是傳統(tǒng)的高溫合金通常采用的強化手段之一，主要基于其析出相的沉淀硬化相對簡單易操作，但是在高溫的生產(chǎn)條件下，析出相會聚集在一起生成較大個體，還有的會重新固溶于基體中，因而會降低高溫合金的工作溫度，限制其作用，不能發(fā)揮出自身的性能，進而達不到預(yù)期的效果[10，11]。

鎳基氧化物彌散強化（ODS）高溫合金包括2種：第1種是以MA795為代表的低鋁含量的合金如MA785、MA795、PM1300等，其本身不具有γ相，同時合金進行制造過程中需要較低的高溫強度；第2種是鎳基ODS合金，這種合金增加了γ相，同時適當(dāng)添加了一些鎢、鉻元素，其中合金中γ相的含量比較高，最高可以達到總體的80%左右，并加入適當(dāng)?shù)逆u、鉬等穩(wěn)定γ相元素，這樣可以提高合金的工作溫度，提高合金的強度。

在現(xiàn)階段中，只有有限的幾種鎳基高溫合金開始了商業(yè)化的生產(chǎn)和銷售，用于發(fā)動機燃燒室的MA795合金，用于制作航空發(fā)動機導(dǎo)向葉片的MA756合金[12]，以及用于航空發(fā)動機葉片的MA6700合金。

三、鎳基高溫合金的性能研究1.鎳基高溫合金的力學(xué)性能研究

在1976年，科恩等科學(xué)家做金屬力學(xué)實驗時發(fā)現(xiàn)一種特殊的現(xiàn)象，在實驗的過程中以30︰1擠壓比來擠壓In-155合金，在1 500℃情況下可以得到1 250%的延伸率，同時可以得出結(jié)論：這種現(xiàn)象與金屬合金中析出的第二相粒子控制晶粒長大有關(guān)[13]。

我國的毛雪平等教授在450～650℃高溫條件下也進行了多次的拉伸力學(xué)試驗，實驗的對象主要是鎳基合金C280，經(jīng)過多次試驗分析溫度對彈性模量的影響，還分析溫度對合金屈服應(yīng)力的影響，以及溫度對延伸率的作用，得出了鎳基合金C280在高溫下具有流變的現(xiàn)象以及良好塑性的結(jié)論，使我國在此領(lǐng)域的研究更上一層樓。

2.鎳基高溫合金的氧化行為研究

在高溫（通常指工作溫度達到1 000℃）的條件下，抗氧化性的實現(xiàn)主要是靠AL315和Cr315保護膜，因此，就需要鎳基合金至少要含有這2種元素的其中一種元素，因為抗高溫氧化性能和熱腐蝕性能的變化影響著鎳基合金的強度，其中合金元素量的多少影響著其性能的高低，雖然現(xiàn)階段高溫合金的氧化試驗結(jié)果比較復(fù)雜，沒有有力的數(shù)據(jù)進行分析，學(xué)術(shù)界在表示高溫合金的抗氧化能力上約定俗成以氧化動力學(xué)和氧化膜的組成變化來表示[14]。趙越等學(xué)者在研究K450在740～1 050℃的恒溫氧化行為時，就發(fā)現(xiàn)K450氧化動力學(xué)曲線幾乎符合拋物線規(guī)律：合金在850℃以下是完全抗氧化級的，但是在850～1 050℃為抗氧化級，而且K450氧化膜中的內(nèi)氧化物層是AL315，其中含有一定數(shù)量的錫，表面氧化物的顆粒大小與溫度成正比，氧化反應(yīng)速度與溫度也成正比。我國的一些研究人員利用靜態(tài)增重法對新型鎳基高溫合金在1 350℃的氧化行為進行研究，發(fā)現(xiàn)了氧化動力學(xué)也遵循拋物線規(guī)律，具體表現(xiàn)為在氧化過程中金屬元素發(fā)生了內(nèi)氧化，氧化膜主要是以Cr315為主，同時其中還含有Cr206、AL315及Ti01[15]。隨著合金內(nèi)其他金屬元素含量的增加，合金產(chǎn)生氧化分解的難度下降，所以金屬元素加入后其抗氧化性大為降低[16]。

3.鎳基高溫合金的疲勞行為研究

在實驗室和工廠中，零部件在很多時候必須要承受高溫和高壓力的作用，同時快速加熱或冷卻引起的各種瞬間熱應(yīng)力和機械應(yīng)力疊加在一起，使得金屬零部件的局部區(qū)域發(fā)生塑性變形，進而產(chǎn)生疲勞對零件壽命產(chǎn)生極大影響?；诖嗽?，必須要對鎳基高溫合金的高溫疲勞行為進行相關(guān)的研究[17]。郭軍民等[18]在研究鑄造鎳基高溫合金K352室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為時得出一個結(jié)論：在應(yīng)力比R=-1，轉(zhuǎn)速為5 000r/min環(huán)境下，K352合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為235MPa，在試樣表面極易產(chǎn)生裂紋，同時在靠近表面缺陷處部分產(chǎn)生的可能性也比較大，斷口主要有裂紋萌生區(qū)，另外有時也會出現(xiàn)裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。黃志宏等學(xué)者在研究鑄造鎳基高溫合金M850的高溫低周疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，M850合金在低應(yīng)變速率下的壽命比較短，只有正常情況下的2/3；因為該合金的強度高，另外還有延性低的特點，這都導(dǎo)致了其具有較低的過渡疲勞壽命[19]。

四、鎳基高溫合金的凈化工藝

金屬材料在生產(chǎn)過程中，都會不可避免的混入一些雜質(zhì)，這就降低了金屬自身的純度和性能。對于鎳基合金也不例外，其在制備過程中會或多或少地混入一些夾雜物，這嚴(yán)重影響著整個合金零部件的性能。必須要對這些雜質(zhì)予以清除，從而凈化這些金屬零部件，只有這樣才能進一步提高合金的整體性能。

例如鎳基高溫合金GH4175，近幾年來我國GH4175合金的研究和發(fā)展速度較快，已經(jīng)有多種升級型號投入生產(chǎn)，現(xiàn)階段基本可以滿足了國內(nèi)的需求，但是作為一種合金渦輪盤，我國的產(chǎn)品與美日等發(fā)達國家存在一定差距，其不論是在研究方面，還是生產(chǎn)方面都存在較大差距[20]。

美國Inconel720合金的制造水平已經(jīng)達到一個較高的水平，但我國在冶煉GH4175合金過程中，出現(xiàn)一些問題，主要因為我國的冶煉設(shè)備技術(shù)落后，合金的冶煉工藝路線不合理，甚至是技術(shù)參數(shù)控制的不精準(zhǔn)造成。據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計：從我國“太行”發(fā)動機研制成功以來，在生產(chǎn)中存在黑斑缺陷的鋼錠數(shù)量占盤鍛件總數(shù)的3.4%左右，而同期的美國Inconel720合金中幾乎沒有黑斑現(xiàn)象的問題。另外，美國Inconel720合金中的硫和氧元素的含量低于國產(chǎn)的零部件，其他的雜質(zhì)含量也遠低于國內(nèi)同類產(chǎn)品。由此可見我國的GH4175合金在冶金質(zhì)量還有較多問題，這就需要我們繼續(xù)向前發(fā)展，解決存在的問題。

GH4175合金盤鍛件的質(zhì)量幾乎是我國同類產(chǎn)品中最好的，因此適用領(lǐng)域較廣，隨著我國大飛機項目的啟動，現(xiàn)有的GH4175合金盤鍛件質(zhì)量已經(jīng)不能滿足需要[21]。在航空航天領(lǐng)域設(shè)備的服役壽命更為關(guān)鍵，因此，這也就對合金的持久蠕變性能提出更高要求，同時也對合金的疲勞性能提出了更高的要求。為提高GH4175合金的綜合性能必須要提高其純凈度，因此在今后的時間里，需要繼續(xù)對GH4175合金冶煉工藝進行改進和完善。

GH4175冶煉工藝較為復(fù)雜，主要有4個環(huán)節(jié)：真空感應(yīng)熔煉、真空自耗重熔兩聯(lián)工藝、真空自耗重熔和電渣重熔等，這也是最為關(guān)鍵的4個環(huán)節(jié)。目前，國外優(yōu)質(zhì)渦輪盤用材制造基本都需要歷經(jīng)這4個環(huán)節(jié)。采用這種工藝熔煉的優(yōu)勢明顯：那就是可以大幅度降低黑白斑出現(xiàn)的可能性，同時減少金屬材料的雜質(zhì)，提高材料的純凈度，最重要的是顯著提高了合金的抗疲勞性能[22]。

五、鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，市場對鎳基高溫合金提出了更高的要求，為滿足市場需求，必須對鎳基高溫合金加快研究，提高其綜合性能。

第一，進一步加強對高強度的鎳基高溫合金的研究。通過添加一定量的鋁和鎂等金屬元素，保證合金的強度提高；根據(jù)情況還可以加入大量的鉬等難熔金屬元素，來提高合金的強度，通過加入釕元素來提高合金的組織穩(wěn)定性。以上幾種做法，可以提高鎳基合金的強度。

第二，發(fā)展抗熱腐蝕性能的單晶合金。通過在合金中加入一定數(shù)量的鎢等難熔金屬，可以在一定情況下提高合金的抗腐蝕性能，隨著我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，未來對鎳基高溫合金的工作溫度提出了更高的要求，必須要對高溫條件下的腐蝕現(xiàn)象加以解決。

第三，發(fā)展密度小和強度高的單晶合金。在航空發(fā)動機中，基于飛機荷載的考慮，盡量避免使用較大密度的合金。其中發(fā)動機的葉片必須要采用低密度材質(zhì)，因為，在發(fā)動機工作時會產(chǎn)生很大的離心力，在這種情況下密度過大的金屬材料很容易出現(xiàn)問題。因此，研發(fā)發(fā)展密度小且強度高的單晶高溫合金迫在眉睫，例如需要研究AM-3、RR2800等類型的合金，并將其盡早地進行商業(yè)化生產(chǎn)。

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