鎳基高溫合金的技術(shù)進(jìn)展

姚進(jìn)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(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈等[1]。這些領(lǐng)域的應(yīng)用都對(duì)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(jìn)而可能影響材料的抗腐蝕性能，同時(shí)大大降低了相關(guān)部件的使用壽命，對(duì)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(shí)是在噴氣式飛機(jī)對(duì)合金性能提出了更高要求的情況下而進(jìn)行研制的。1945年，英國(guó)成為第1個(gè)生產(chǎn)出鎳基合金 Nimomic75（Ni22Cr-1.5Ti）的國(guó)家，之后英國(guó)根據(jù)發(fā)展需要提高鎳基高溫合金蠕變強(qiáng)度，在原有基礎(chǔ)上添加適量的鋁元素，進(jìn)而研制出新型的鎳基合金Nimomic84（Ni22Cr-4.5Ti）[2]。在之后的一段時(shí)間里，美國(guó)和蘇聯(lián)相繼研制成功類似合金，我國(guó)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(gè)發(fā)展方向：第一是對(duì)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(duì)其進(jìn)行研制。在20世紀(jì)50年代時(shí)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(dá)國(guó)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(qiáng)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(shí)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(duì)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(shí)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(jìn)一步提高了它的適用范圍。

二、鎳基高溫合金的強(qiáng)化機(jī)理及組織特點(diǎn)

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(shí)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(yuǎn)高于其他合金。其主要的化學(xué)性能有以下幾點(diǎn)：第一，鎳基合金中可以溶解多種的合金元素，這就對(duì)其性能的改善甚至增強(qiáng)起到了很大的幫助，另外鎳基合金還有較強(qiáng)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(qiáng)的抗氧化和抗腐蝕能力，尤其是含鉻的合金其性能更是強(qiáng)于其他類型，例如鐵基高溫合金[5]。

1.固溶強(qiáng)化

對(duì)鎳基高溫合金性能強(qiáng)化的主要手段是添加適量的固溶強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)是組織穩(wěn)定性，同時(shí)還有較好的可塑性。基于這些特性，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(dòng)機(jī)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(shí)溶解大量的鎢、鉬和鈷等合金元素，卻不會(huì)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(guó)曾經(jīng)研制出一種性能優(yōu)良的固溶強(qiáng)化型合金——鎳基變形高溫合金Haynes280，這種合金不僅具有較強(qiáng)的工作溫度，同時(shí)在1 400℃的高溫時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)165MPa、延伸率可達(dá)87%。這主要是因?yàn)樵诤辖鹬屑尤肓穗y熔金屬元素，例如鎢和鉻等元素；同時(shí)為了阻礙晶粒的發(fā)展和強(qiáng)化晶界，在研制過程中添加少量的碳元素以形成碳化物達(dá)到強(qiáng)化的目的[7]。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的類似合金在1 400℃的高溫強(qiáng)度條件下其強(qiáng)度僅為85MPa左右，與國(guó)外相比存在一定的差距。

2.沉淀強(qiáng)化

現(xiàn)階段，各國(guó)提高鎳基高溫合金的強(qiáng)度和硬度的方式基本一致，對(duì)鎳基高溫合金添加一定量的沉淀強(qiáng)化元素可以使合金在時(shí)效時(shí)析出γNi5（Al，Ti））相，大大提高了金屬的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)極大促進(jìn)高溫合金硬化的工作。在添加少量金屬元素之后析出的細(xì)小彌散可以有效地阻止晶粒的生長(zhǎng)。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(qiáng)度、抗氧化和抗腐蝕性能，在生產(chǎn)過程中增強(qiáng)對(duì)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?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片等。另外，鎳基合金還在國(guó)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(qiáng)化

沉淀硬化是傳統(tǒng)的高溫合金通常采用的強(qiáng)化手段之一，主要基于其析出相的沉淀硬化相對(duì)簡(jiǎn)單易操作，但是在高溫的生產(chǎn)條件下，析出相會(huì)聚集在一起生成較大個(gè)體，還有的會(huì)重新固溶于基體中，因而會(huì)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(jìn)而達(dá)不到預(yù)期的效果[10，11]。

鎳基氧化物彌散強(qiáng)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(shí)合金進(jìn)行制造過程中需要較低的高溫強(qiáng)度；第2種是鎳基ODS合金，這種合金增加了γ相，同時(shí)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(dá)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(qiáng)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(dòng)機(jī)燃燒室的MA795合金，用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片的MA756合金[12]，以及用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一種特殊的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(zhǎng)大有關(guān)[13]。

我國(guó)的毛雪平等教授在450～650℃高溫條件下也進(jìn)行了多次的拉伸力學(xué)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的對(duì)象主要是鎳基合金C280，經(jīng)過多次試驗(yàn)分析溫度對(duì)彈性模量的影響，還分析溫度對(duì)合金屈服應(yīng)力的影響，以及溫度對(duì)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(guó)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(dá)到1 000℃）的條件下，抗氧化性的實(shí)現(xiàn)主要是靠AL315和Cr315保護(hù)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?yàn)榭垢邷匮趸阅芎蜔岣g性能的變化影響著鎳基合金的強(qiáng)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(yàn)結(jié)果比較復(fù)雜，沒有有力的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)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(shí)，就發(fā)現(xiàn)K450氧化動(dòng)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(jí)的，但是在850～1 050℃為抗氧化級(jí)，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(guó)的一些研究人員利用靜態(tài)增重法對(duì)新型鎳基高溫合金在1 350℃的氧化行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了氧化動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)室和工廠中，零部件在很多時(shí)候必須要承受高溫和高壓力的作用，同時(shí)快速加熱或冷卻引起的各種瞬間熱應(yīng)力和機(jī)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(jìn)而產(chǎn)生疲勞對(duì)零件壽命產(chǎn)生極大影響?；诖嗽?，必須要對(duì)鎳基高溫合金的高溫疲勞行為進(jìn)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(shí)得出一個(gè)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(shí)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(shí)也會(huì)出現(xiàn)裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(shí)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?yàn)樵摵辖鸬膹?qiáng)度高，另外還有延性低的特點(diǎn)，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(huì)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(duì)于鎳基合金也不例外，其在制備過程中會(huì)或多或少地混入一些夾雜物，這嚴(yán)重影響著整個(gè)合金零部件的性能。必須要對(duì)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(jìn)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(guó)GH4175合金的研究和發(fā)展速度較快，已經(jīng)有多種升級(jí)型號(hào)投入生產(chǎn)，現(xiàn)階段基本可以滿足了國(guó)內(nèi)的需求，但是作為一種合金渦輪盤，我國(guó)的產(chǎn)品與美日等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)Inconel720合金的制造水平已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的水平，但我國(guó)在冶煉GH4175合金過程中，出現(xiàn)一些問題，主要因?yàn)槲覈?guó)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(jì)：從我國(guó)“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)Inconel720合金中幾乎沒有黑斑現(xiàn)象的問題。另外，美國(guó)Inconel720合金中的硫和氧元素的含量低于國(guó)產(chǎn)的零部件，其他的雜質(zhì)含量也遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品。由此可見我國(guó)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(guó)同類產(chǎn)品中最好的，因此適用領(lǐng)域較廣，隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)，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(duì)合金的持久蠕變性能提出更高要求，同時(shí)也對(duì)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(shí)間里，需要繼續(xù)對(duì)GH4175合金冶煉工藝進(jìn)行改進(jìn)和完善。

GH4175冶煉工藝較為復(fù)雜，主要有4個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)。目前，國(guó)外優(yōu)質(zhì)渦輪盤用材制造基本都需要?dú)v經(jīng)這4個(gè)環(huán)節(jié)。采用這種工藝熔煉的優(yōu)勢(shì)明顯：那就是可以大幅度降低黑白斑出現(xiàn)的可能性，同時(shí)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(shì)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鎳基高溫合金提出了更高的要求，為滿足市場(chǎng)需求，必須對(duì)鎳基高溫合金加快研究，提高其綜合性能。

第一，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展，未來對(duì)鎳基高溫合金的工作溫度提出了更高的要求，必須要對(duì)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(qiáng)度高的單晶合金。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，基于飛機(jī)荷載的考慮，盡量避免使用較大密度的合金。其中發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片必須要采用低密度材質(zhì)，因?yàn)?，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)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(qiáng)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(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

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