鎳基高溫合金熱處理工藝研究進(jìn)展

蔣 倩，蔣立鶴，黃云峰，胡浩帆，鮑海波

（1.江蘇省船舶動(dòng)力系統(tǒng)零件先進(jìn)制造工程技術(shù)中心，江蘇 南京 211121；2.南京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶設(shè)備配件有限公司，江蘇 南京 211121；3.中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣東 廣州 510630）

鎳基高溫合金是我國產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金[1]，其是以鎳為基體（含量一般大于50%），在650～1000℃的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能、高溫抗氧化能力，良好的疲勞性能和斷裂韌性以及優(yōu)異的抗蠕變性能[2，3]，能夠在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，現(xiàn)已成為航空航天、運(yùn)輸、航海及核電工業(yè)領(lǐng)域不可替代的重要材料，被廣泛應(yīng)用于渦輪盤、燃?xì)廨啓C(jī)等重要零部件的制造[4]隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，其對(duì)鎳基高溫合金的性能要求也在不斷提高。熱處理工藝作為提高合金韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，提高強(qiáng)度有利手段之一，已成為鎳基高溫合金不可或缺的重要工序[5]。因此，本文對(duì)鎳基高溫合金熱處理工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進(jìn)展情況進(jìn)行了介紹。希望能夠?yàn)樽x者進(jìn)一步了解鎳基高溫合金熱處理工藝提供參考。

1 鎳基高溫合金熱處理工藝研究現(xiàn)狀

如圖1 所示，鎳基高溫合金熱處理工藝是指鎳基高溫合金材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的方式，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝，探究熱處理工藝對(duì)合金的微觀組織的影響，尋求最佳的熱處理制度，對(duì)提高合金的高溫性能有著積極的意義。其中，時(shí)效處理與固溶處理作為兩種主要的鎳基高溫合金熱處理方式，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了較為深入、系統(tǒng)的研究。南京汽輪機(jī)廠王增友等[6]根據(jù)對(duì)GH145 合金零件性能的要求，采用了1135±10℃×2h 微量風(fēng)冷固溶處理，845±10℃×24h 時(shí)效，爐冷至720±10℃×24h 時(shí)效后空冷。通過這種一次固溶、兩段時(shí)效的方法，獲得了較為滿意的綜合力學(xué)性能及持久性能。中科院金屬研究所寧禮奎等[7]針對(duì)一種含Re 的新型鎳基單晶高溫合金，研究了不同熱處理對(duì)其組織和性能的影響。通過差熱分析法確定合金的固相線和液相線溫度，由金相測(cè)試法測(cè)出該材料的初熔溫度，最終確定了該合金最佳熱處理制度。寧夏大學(xué)李維銀等[8]在研究一種基于Nimonic 263 合金基礎(chǔ)上開發(fā)的新型鎳基高溫合金長(zhǎng)期時(shí)效后的組織穩(wěn)定性及高溫性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，合金長(zhǎng)期時(shí)效過程中，析出相的種類和硬化相γ′相是合金組織穩(wěn)定性的量度，同時(shí)，γ′相的析出及粗化是影響高溫合金在長(zhǎng)期時(shí)效過程中力學(xué)性能的主要原因之一。冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院龍正東等[9]研究了不同熱處理制度對(duì)GH4169 合金力學(xué)性能、組織的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶處理的溫度較低時(shí)，γ′相會(huì)不完全溶解并形成大小不均的γ′相共存的組織，從而可以阻止晶粒的長(zhǎng)大，提高合金的塑性和強(qiáng)度。而時(shí)效溫度較低，時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，γ′相含量能夠得到提高，從而合金的強(qiáng)度提高，塑性降低。太原理工大學(xué)林萬明等[10]研究了750℃～1050℃下長(zhǎng)期高溫時(shí)效對(duì)Ni3Al 基高溫合金沉淀強(qiáng)化的影響，結(jié)果表明，在不同溫度時(shí)效處理一定時(shí)間后，在鎳基高溫合金中γ′相呈球形分散在γ 基體上；時(shí)效溫度越高，γ′相越粗化，鎳基合金的拉伸塑性越高，屈服強(qiáng)度越低；時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，合金的屈服強(qiáng)度越高，但當(dāng)時(shí)效時(shí)長(zhǎng)大于1000h時(shí)，屈服強(qiáng)度逐漸降低。沈陽工業(yè)大學(xué)田素貴等[11]對(duì)等溫鍛造GH4169G 合金進(jìn)行了不同條件熱處理和蠕變性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過直接時(shí)效和一次固溶，兩次時(shí)效的標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，合金中的δ 相都呈現(xiàn)出顆粒狀或針狀。直接時(shí)效可減緩合金應(yīng)力集中、延遲裂紋的萌生與擴(kuò)展；而標(biāo)準(zhǔn)熱處理可削弱晶界的結(jié)合強(qiáng)度，并促使晶界處裂紋的萌生與擴(kuò)展。中國石油大學(xué)宋宜四等[12]以Inconel718 鎳基合金為研究對(duì)象，對(duì)不同熱處理制度下合金的微觀組織、力學(xué)性能及耐蝕性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨固溶溫度的升高，合金中δ 相不斷溶解，當(dāng)固溶溫度升至1020℃時(shí)，δ 相完全溶解。同時(shí)，合金的硬度隨固溶溫度的升高而降低，時(shí)效后的硬度與前期固溶處理溫度密切相關(guān)，呈現(xiàn)出隨固溶溫度升高,時(shí)效后合金的硬度值先升高后降低的趨勢(shì)。此外，經(jīng)固溶處理的Inconel718 合金耐腐蝕性略優(yōu)于經(jīng)固溶+時(shí)效處理的合金材料。江蘇科技大學(xué)朱治愿等[13]以某內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鎳基合金為研究對(duì)象，研究了三種不同熱處理制度（T1:850℃×4h，AC.+730℃×4h，AC.，T2:704℃×24h，AC.，T3:760℃×16h，AC.）下，該合金的室溫力學(xué)性能變化情況。研究結(jié)果表明，T1 制度下合金硬度最高，為347HV10,T1、T3 制度下合金室溫抗拉強(qiáng)度均大于1200 MPa,T2 制度下延伸率最佳，大于30%，適用于塑性要求高的工況。北京工業(yè)大學(xué)李憲等[14]在研究固溶處理時(shí)間對(duì)鎳基高溫合金中Re、Ru 元素分布和微觀形貌的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，固溶處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)Re、Ru 元素分布影響顯著，當(dāng)固溶時(shí)長(zhǎng)為1h 時(shí)，Re、Ru 元素均存在明顯偏析；當(dāng)固溶時(shí)長(zhǎng)為20h 時(shí)，兩者偏析情況明顯改善。此外，固溶處理時(shí)長(zhǎng)由1h 延長(zhǎng)至20h 后，合金中γ′相形貌更規(guī)則,立方度更好。浙江大學(xué)趙新寶等[15]研究了固溶處理對(duì)某鎳基單晶高溫合金微觀組織和偏析的影響，發(fā)現(xiàn)合金鑄態(tài)組織中存在明顯的成分偏析，而提高最高固溶溫度可有效降低合金的成分偏析，同時(shí)能夠一定程度增大時(shí)效處理后的γ′相尺寸。

圖1 鎳基高溫合金熱處理工藝示意圖

2 鎳基高溫合金熱處理工藝最新進(jìn)展

重慶大學(xué)權(quán)國政等人將有限元數(shù)值模擬與熱處理工藝相結(jié)合，深入研究了熱處理工藝參數(shù)對(duì)Ni80A 高溫合金大型船用柴油機(jī)氣閥力學(xué)性能的影響，基于Ni80A 熱處理試驗(yàn)結(jié)果，建立了析出相與合金硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步基于大量數(shù)值模擬分析結(jié)果建立了熱處理專家系統(tǒng)。圖2 為該熱處理專家系統(tǒng)操作界面，其主要包括氣閥件熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢、氣閥件熱處理有限元模擬結(jié)果查詢、熱處理參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)、析出相體積分?jǐn)?shù)及硬度預(yù)測(cè)4 個(gè)方面，圖中區(qū)域1 為氣閥件熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢模塊，區(qū)域2 為新氣閥件熱處理有限元模擬結(jié)果查詢模塊，區(qū)域3 為熱處理參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)模塊，區(qū)域4 為析出相體積分?jǐn)?shù)及硬度預(yù)測(cè)模塊。

圖2 熱處理專家系統(tǒng)操作界面

研究熱處理工藝參數(shù)對(duì)Ni80A 高溫合金大型船用柴油機(jī)氣閥力學(xué)性能的影響，將有限元數(shù)值模擬與熱處理工藝進(jìn)行深入結(jié)合，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)調(diào)控、工件質(zhì)量控制都有著重要意義。同時(shí)，在很大程度上節(jié)省了工程技術(shù)人員在數(shù)據(jù)管理、方案設(shè)計(jì)方面花費(fèi)的時(shí)間，可以為鎳基合金熱處理工藝向自動(dòng)化、高效化發(fā)展起到推動(dòng)作用。

3 結(jié)語

本文主要對(duì)鎳基高溫合金熱處理工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進(jìn)展情況進(jìn)行了介紹。目前，隨著國內(nèi)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，其對(duì)鎳基高溫合金的性能要求也在不斷提高，作為提高鎳基高溫合金性能的熱處理工藝也在不斷發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）將熱處理工藝與鎳基高溫合金工件制造過程中其他工藝相結(jié)合，提高各工藝間的匹配度，以使合金材料的各方面性能狀態(tài)得到提高。

（2）目前對(duì)鎳基高溫合金固溶處理與時(shí)效處理方面進(jìn)行的研究較多，其他方面的鎳基高溫合金熱處理工藝少有較為深入、系統(tǒng)的研究，需要進(jìn)行更多相關(guān)研究。

（3）進(jìn)行鎳基合金在服役和熱處理過程中相轉(zhuǎn)變機(jī)制的相關(guān)研究對(duì)提高對(duì)合金的認(rèn)識(shí)，改善合金性能有著巨大幫助，需要進(jìn)行更加深入的研究。

（4）計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬作為有效的工藝設(shè)計(jì)輔助手段，可以與熱處理工藝相結(jié)合，為制訂熱處理工藝和開發(fā)新型熱處理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比，它具有成本低、靈活高效的優(yōu)勢(shì)。但是，目前受制于技術(shù)的限制，熱處理數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度有限，只能起到輔助指導(dǎo)的作用，有待相關(guān)學(xué)者進(jìn)行長(zhǎng)期、深入的研究。

（5）一些新型熱處理工藝具有其特有的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高合金的綜合性能，未來在鎳基合金熱處理方面的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。