鎳基高溫合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

供稿|唐中杰, 郭鐵明,2, 付迎, 惠枝, 韓昌松/ TANG Zhong-jie, GUO Tie-ming,2, FU Ying, HUI Zhi, HAN Chang-song

鎳基高溫合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

Research present situation and the development prospect of nickel-based superalloy

供稿|唐中杰1, 郭鐵明1,2, 付迎1, 惠枝1, 韓昌松1/ TANG Zhong-jie1, GUO Tie-ming1,2, FU Ying1, HUI Zhi1, HAN Chang-song1

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航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等關(guān)鍵的高溫部件都會使用鎳基高溫合金。它不但有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。文章綜述了鎳基高溫合金的研究進展，主要介紹了合金體系、強化方式、主要制備工藝、應(yīng)用領(lǐng)域，以及合金中的夾雜物及凈化的情況，并介紹了鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢做了展望前景。鎳基高溫合金應(yīng)向低制作成本、高強度、抗熱腐蝕性、小密度的方向發(fā)展：保持組織穩(wěn)定性，提高材料高溫強度；發(fā)展耐熱腐蝕性能優(yōu)越的單晶合金；開發(fā)密度盡量小的單晶高溫合金；降低成本，減少昂貴的金屬元素添加量。

鎳基高溫合金一般在600℃以上承受一定應(yīng)力的條件下工作，它不但有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。主要用于航天航空領(lǐng)域高溫條件下工作的結(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。但是制備鎳基合金的過程中會混入夾雜物，嚴重影響材料的疲勞性能，使結(jié)構(gòu)材料部件的壽命得不到保證，限制了合金的更廣泛應(yīng)用。本文介紹了國內(nèi)外關(guān)于鎳基高溫合金的研究進展情況，以及合金體系、強化方式、制備方法以及應(yīng)用領(lǐng)域，同時對合金中的夾雜物及凈化的進展情況也做了介紹。

鎳基高溫合金種類

鎳基高溫合金按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。按強化方式，可分為固溶強化高溫合金、時效強化高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金。鎳與其他合金元素可組成不同的體系，其性能也各異，如Ni- Cr系、Ni-Fe-Cr 系、Ni-Cr-Mo 系等。

鎳基變形高溫合金

鎳基變形高溫合金以拼音字母“GH” 加序號表示，如GH4169、GH141等。它可采用常規(guī)的鍛、軋和擠壓等冷、熱變形手段加工成材。按強化方式可分為固溶強化鎳基變形高溫合金，弱時效強化鎳基變形高溫合金和強時效強化鎳基變形高溫合金3類。

鎳基合金含有十多種元素，添加合金元素對高溫合金的性能起關(guān)鍵的作用。其中鉻在鎳基變形高溫合金中的主要作用為增加抗氧化及耐蝕能力。固溶強化鎳基變形高溫合金中加入較多的鎢、鉬、鈷、釩等元素。時效強化鎳基變形高溫合金可添加一定量的鋁、鈦、鈮等時效強化元素，也可加入硼、鈰、鎂等晶界強化元素，但對合金元素的量都要有定量的控制。近年的基礎(chǔ)研究表明[1]：P、Nb含量的適當提高可顯著改善GH4169合金的持久蠕變性能，而批量生產(chǎn)的GH4169合金盤鍛件的P、Nb含量都較低，P含量約0.003%～0.004%,Nb含量約5.20%，不利于持久蠕變性能的改善。另外，合金元素C、S對合金的持久性能和疲勞性能也有影響，應(yīng)盡量降低合金中S的含量，C的含量也需控制在一個較低水平。

鎳基變形高溫合金的組織是以面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體(γ相)為基體，主要的強化相是γ′(面心立方的Ni3(Al，Ti))相，含量達20%～55%。另一類強化相是γ″(體心四方結(jié)構(gòu)且與基體保持共格的Ni3Nb)相，在700℃以下對強化起主要作用，明顯提高屈服強度，是渦輪盤材料中的強化相。

變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，特別是含γ′相很高的強時效強化鎳基變形高溫合金，使用普通的熱加工手段變形有一定困難，因而需采取鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套鐓餅等新工藝來加工，也采用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來提高塑性。

鎳基鑄造高溫合金

鑄造高溫合金以鎳為主要成分，以“K”加序號表示，如K1、K2等。

隨著使用溫度和強度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難，必須采用鑄造工藝進行生產(chǎn)。另外，采用冷卻技術(shù)的空心葉片的內(nèi)部復(fù)雜型腔，只能采用精密鑄造工藝才能生產(chǎn)，因此鎳基鑄造高溫合金在實際生產(chǎn)應(yīng)用中不可缺少。

鎳基鑄造高溫合金以γ相為基體，添加鋁、鈦、鈮、鉭等形成γ′相進行強化，γ′相數(shù)量較多，有的合金高達60%；加入鈷元素能提高γ′相的溶解溫度，提高合金的使用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的作用，鉻、鉬、鉭還能形成一系列對晶界產(chǎn)生強化作用的碳化物；鋁和鉻有助于抗氧化能力，但鉻降低γ′相的溶解度和高溫強度，因此鉻含量應(yīng)低些；鉿改善合金中溫塑性和強度；為了強化晶界，添加適量硼、鋯等元素。研究表明[2]：GMR235鑄態(tài)合金的含碳量為0.18%時,高溫持久壽命和抗拉強度最大，且具有較好的塑性，添加硼和鋯的合金持久性能明顯改善，合金的枝晶間距減少，碳化物的析出量減少且碳化物顆粒細化，從而改善各方面性能。

鎳基粉末冶金高溫合金

隨著耐熱合金工作溫度越來越高，合金中的強化元素也越來越多，成分也越復(fù)雜，導(dǎo)致一些合金只能在鑄態(tài)上使用，不能夠熱加工變形。并且合金元素的增多使鎳基合金凝固后成分偏析也嚴重，造成組織和性能的不均勻。采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高溫合金，就能解決上述問題。因為粉末顆粒小，制粉時冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產(chǎn)更高強度的合金產(chǎn)生了新的途徑。

粉末高溫合金的工藝流程大致如下[3]：預(yù)合金粉末制造—壓實(熱壓、熱等靜壓、擠壓等)—熱加工變形(軋制、模鍛等)—熱處理。對于高γ′沉淀相含量的合金，采用高于溶解溫度固溶，然后分兩階段控速緩冷，再進行兩次時效熱處理，可以在不改變合金成分的前提下有效提高粉末渦輪盤件合金的抗疲勞裂紋擴展能力[4]。粉末高溫合金已用于先進型號發(fā)動機上的渦輪盤、壓氣機盤等重要部件上。

強化機理及組織特點

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物'[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基高溫合金的強化機理主要有以下三種。

固溶強化

在鎳基高溫合金中添加的固溶強化元素主要有鎢、鉬、鈷、鉻和釩等。固溶強化型合金具有一定的高溫強度，良好的抗氧化、抗熱腐蝕、抗冷、熱疲勞性能，有良好的高溫長期組織穩(wěn)定性及表面穩(wěn)定性等優(yōu)點，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大的部件，如燃氣輪機的燃燒室。鎢、鉬、鈷、鉻和釩等合金元素的原子半徑與鎳的半原子徑都相近，鎳能溶解大量的鎢、鉬、鈷、鉻和釩等合金元素而不出現(xiàn)新相。一般固溶溫度范圍為1040～1230℃。對某些合金，例如Nimonic 80A和Rene41，在1070℃固溶處理可引起晶界碳化物M6C和Cr7C3的析出，這時時效和使用過程中能減緩碳化物反應(yīng)[3]。

美國開發(fā)的固溶強化型鎳基變形高溫合金Haynes230，在1100℃的高溫強度可達135 MPa、延伸率可達85%。它是一種綜合性能優(yōu)良的Ni-Cr-W系高溫合金，名義成分為Ni-22Cr-14W-0.5Mn-0.4Si-0.02La，合金中加入了大量的W、Cr等難熔合金化元素以提高基體的強度，同時添加少量的C以形成碳化物來阻礙晶粒長大和強化晶界。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的Haynes230合金在1100℃的高溫強度僅為90 MPa左右，目前仍在研究開發(fā)中[5]。

沉淀強化

在鎳基高溫合金中添加的沉淀強化元素主要有鋁、鈦、鈮、鎢、鉬等，使合金在時效時析出γ′Ni3(Al，Ti))相、γ″(與基體共格的Ni3Nb)相，其硬度高，對高溫合金時效硬化起主要作用。同時細小彌散的析出相能阻止晶粒長大，起著細晶強化的作用。除此之外，鎢、鉬等元素可固溶于奧氏體中起到固溶強化的作用。還添加了微量的硼強化晶界；微量的稀土改善抗氧化腐蝕性能[6]。

由于沉淀強化型合金綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等。此外，鎳基合金也可用做航天器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備等的高溫部件。在現(xiàn)代飛機發(fā)動機中，渦輪葉片大都采用鎳基合金制造。

氧化物彌散強化(ODS)

傳統(tǒng)的高溫合金一般采用析出相的沉淀硬化作為其主要的強化手段，但在高溫下，析出相會聚集長大或重新固溶于基體中，從而失去強化作用，使高溫合金的使用溫度被限制。

氧化物彌散強化合金是采用機械合金化的方法，超細的(<50 nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強化相Y2O3、Al2O3、ThO2等均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持。 氧化物彌散強化使高溫合金的工作溫度提高100℃至200℃，能夠達到基體金屬熔點的0.85倍，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能和優(yōu)越的高溫抗氧化性能。

Ni 基ODS 高溫合金包括兩大類[7]，一類是以MA754 為代表的低Al 、Ti 含量的合金，如MA754、MA758 、PM1000 等，不含γ′相，合金的中溫強度相對較低；第二類Ni 基ODS 合金增加了γ′相形成元素Al 、Ti 的含量，使合金中γ′相的含量達到60%左右，并加入W、Mo 、Ta 等穩(wěn)定γ′相元素，使材料的中溫強度得到很大改善，Y2O3含量也比第一類Ni 基ODS 合金的高，進一步提高了材料的高溫強度。

目前商業(yè)化生產(chǎn)的主要有MA956合金，用于航空發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯。MA754合金制作航空發(fā)動機導(dǎo)向器蓖齒環(huán)和導(dǎo)向葉片。MA6000合金用于航空發(fā)動機葉片。

制備方法

鎳基合金，特別是沉淀強化型合金含有較多的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，并經(jīng)真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，并用真空重熔——精密鑄造法制成零件。

國外高溫合金大都采用二次熔煉，即母材熔煉和重熔。通過母材熔煉獲得要求的化學(xué)成分并對合金進行精煉。重熔的目的是為了進一步精煉及控制鋼錠的凝固過程，以得到氣體、夾雜物含量較低和結(jié)晶組織較好的鋼錠。目前，一次熔煉最重要的手段是堿性電弧爐和大型真空感應(yīng)爐，真空感應(yīng)爐越來越顯得重要，非真空感應(yīng)爐只在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用，此外，還有等離子爐正在發(fā)展過程中[3]。

應(yīng)用領(lǐng)域

鎳基高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動機、航天器和火箭發(fā)動機以及艦艇和工業(yè)燃氣輪機的關(guān)鍵熱端部件材料(如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤、燃燒室等)，也是核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面需要的重要高溫結(jié)構(gòu)材料。

鎳基鑄造高溫合金用于飛機、船舶、工業(yè)和車輛用燃氣輪機的最關(guān)鍵的高溫部件，如渦輪機葉片、導(dǎo)向葉片和整體渦輪等。而鎳基變形高溫合金廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。

其中GH4169 合金在我國航空發(fā)動機中已得到廣泛應(yīng)用，其材質(zhì)水平和加工工藝水平近年來得到顯著提高。GH4169 合金的冶金產(chǎn)品有不同規(guī)格的鍛棒、熱軋棒、冷拉棒、板、帶、絲、管和鍛件，制造的零件有各類盤、轉(zhuǎn)子、環(huán)、機匣、軸、緊固件、彈性元件、阻尼元件等。該材料在發(fā)動機中的用量已由幾個、十幾個零件號增加至二百多個，如太行發(fā)動機(即渦扇10系列發(fā)動機)中應(yīng)用 GH4169 合金的零件號達261個，零件總質(zhì)量占核心機質(zhì)量的60%，占發(fā)動機質(zhì)量的30%以上[8]。顯然，GH4169合金制造的最重要的零件就是航空發(fā)動機用渦輪盤。在太行發(fā)動機中，僅盤件就多達11 種之多。近幾年，國產(chǎn)盤鍛件的組織性能達到了一個較高的水平，每年生產(chǎn)昆侖發(fā)動機(即渦噴14)、太行發(fā)動機用盤鍛件1000 余件。此外，該合金在大飛機發(fā)動機和直升機用渦軸系列發(fā)動機中也獲得廣泛應(yīng)用[9]。

夾雜與凈化

鎳基合金在制備過程中會混入或產(chǎn)生一些夾雜物，它會影響到整個合金的性能。對這些夾雜的來源和存在形式進行研究，從而設(shè)法將其凈化，來提高合金的性能。

以鎳基高溫合金GH4169為例，雖然 GH4169 合金近年來取得了長足的進步，滿足了使用的基本需求，但與國外Inconel 718 合金渦輪盤相比，國產(chǎn)渦輪盤的研制和生產(chǎn)還存在一些問題。

美國Inconel 718 合金的冶煉技術(shù)水平很高且穩(wěn)定，但我國在冶煉GH4169 合金過程中，由于冶煉設(shè)備技術(shù)狀態(tài)不穩(wěn)定、冶煉工藝路線不合理或技術(shù)參數(shù)控制不精準，有時會產(chǎn)生冶金缺陷黑斑，加大了渦輪盤在使用過程中的潛在危險。據(jù)統(tǒng)計，自2005年太行發(fā)動機批產(chǎn)以來，已生產(chǎn)盤鍛件中出現(xiàn)黑斑缺陷的鋼錠占總數(shù)的1.8%，而美國近期Inconel718合金中出現(xiàn)黑斑的幾率幾乎為零。同時，美國Inco-Inconel 718 合金的S、O 含量和其他雜質(zhì)元素含量比國產(chǎn)料要低?？梢奊H4169 合金和美國Inconel 718 合金的冶金質(zhì)量還有一定差距[9]。

GH4169合金中夾雜物的類型主要有三種[10]：①以鋁、硅、鈣的氧化物為主的陶瓷類夾雜；②以碳、硫等主要化學(xué)成分的非金屬夾雜；③以金屬鈮、鉻等為主要化學(xué)成分的異金屬夾雜。

GH4169 合金盤鍛件在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，但隨著大飛機項目的啟動，對GH4169 合金盤鍛件提出了更高的要求。為了大幅度延長GH4169 合金盤件的服役壽命，對合金的持久蠕變性能、疲勞性能提出了更高的要求。為提高GH4169 合金綜合性能減少夾雜，對GH4169 合金進行冶煉工藝的改進[9]。

GH4169冶煉工藝為真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔兩聯(lián)工藝或真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔+氬氣保護的電渣重熔三聯(lián)工藝。而目前，國外優(yōu)質(zhì)渦輪盤用材要求用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔+真空自耗重熔三聯(lián)工藝冶煉[9]。采用這種工藝熔煉可將白斑出現(xiàn)的幾率降到最低，也可大幅降低黑斑出現(xiàn)的幾率。材料的夾雜物數(shù)量明顯減少，可顯著提高合金的疲勞性能和持久蠕變性能。

發(fā)展趨勢

從廣泛應(yīng)用的角度分析，鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢必會向低制作成本、高強度、抗熱腐蝕性、小密度的方向發(fā)展。鎳基高溫合金應(yīng)在以下幾個方面發(fā)展：

(1) 保持組織穩(wěn)定性，提高材料強度。通過添加適量的Al、Ti、Ta，保證強化相的數(shù)量，添加大量的W、Mo、Re等難熔金屬元素，提高高溫強度。為了不析出有害相，在新一代合金中通過加入Ru來提高合金的組織穩(wěn)定性[11]。

(2) 發(fā)展耐熱腐蝕性能優(yōu)越的單晶合金。

(3) 開發(fā)密度盡量小的單晶合金。從航空發(fā)動機設(shè)計的角度考慮，密度大的合金難有作為，特別是對動葉片，在非常大的離心力下是不適合的。為此，要發(fā)展密度小的單晶高溫合金。

(4) 降低成本，減少昂貴的金屬元素添加量。

鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域內(nèi)占有重要的地位。鎳基高溫合金是航空工業(yè)中使用的重要耐熱材料，隨著長期服役的飛機發(fā)動機和更高負荷發(fā)電要求的工業(yè)燃氣輪機的出現(xiàn)，對材料的各項性能要求也越來越高。因此，研制具有更高承溫能力和耐腐蝕性能的高溫合金，對我國航空事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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國家青年基金資助項目(No.510001057)；甘肅省自然基金項目(No.1208RJZA172)。

郭鐵明(1969—)，女，副教授，碩士。主要從事金屬材料、電熱材料及金屬間化合物材料的制備、微結(jié)構(gòu)及性能研究，發(fā)表論文20余篇， E-mail: guotm@lut.cn。

1. 蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.10