镍基高温合金的技术进展

姚进军 高联科 邓斌

镍基高温合金的工作温度一般是800～1 000℃，其化学性质良好，尤其是具有高温抗氧化和抗腐蚀性，另外还有良好的抗疲劳性。镍基高温合金应用领域也比较广泛，其中主要是在航空航天领域和国防领域应用，例如航空发动机、导弹等[1]。这些领域的应用都对镍基高温合金的纯净度要求较高，在加工和生产镍基合金的过程中极易产生杂质，影响材料的纯净度，进而可能影响材料的抗腐蚀性能，同时大大降低了相关部件的使用寿命，对其适用范围也造成了一定的限制。

一、镍基高温合金的发展历程

镍基高温合金无疑是高温合金领域中重要的一部分，这主要是基于其良好的特性。镍基高温合金在20世纪40年代初期被发现并研究成功，当时是在喷气式飞机对合金性能提出了更高要求的情况下而进行研制的。1945年，英国成为第1个生产出镍基合金 Nimomic75（Ni22Cr-1.5Ti）的国家，之后英国根据发展需要提高镍基高温合金蠕变强度，在原有基础上添加适量的铝元素，进而研制出新型的镍基合金Nimomic84（Ni22Cr-4.5Ti）[2]。在之后的一段时间里，美国和苏联相继研制成功类似合金，我国在20世纪50年代相继研制出几种类似功能的合金。

从镍基高温合金的发展历程可以看出，其主要有2个发展方向：第一是对镍基合金元素构成的重新组合，使其更好地发挥出性能；第二是镍基高温合金生产工艺的革新，不断利用最新技术和设备对其进行研制。在20世纪50年代时期，科学家经过不断的研制，发现了真空熔炼技术，这一技术的诞生和发展为镍基高温合金的发展创造了技术上的条件；20世纪60年代，发达国家研制出的熔模精密铸造工艺，制造了一大批具有良好高温强度的铸造合金；之后的几年内，相继制造出了性能更好、更稳定的单晶高温合金，甚至在这段时间里还研制出了粉末冶金高温合金；而航空航天技术的发展，对高温合金提出了更高要求（抗热腐蚀性能较好和组织稳定）[3-4]。在从20世纪50年代初到90年代末的40年时间内，随着镍基高温合金的发展，其工作温度不断得以提高，从而进一步提高了它的适用范围。

二、镍基高温合金的强化机理及组织特点

镍基合金是高温合金中应用范围最为广泛的一种合金，同时也是同类中高温性能最好的一种合金，尤其是在同等高温条件下的性能远高于其他合金。其主要的化学性能有以下几点：第一，镍基合金中可以溶解多种的合金元素，这就对其性能的改善甚至增强起到了很大的帮助，另外镍基合金还有较强的组织稳定性，在特殊环境下应用效果良好；第二，镍基合金具有较强的抗氧化和抗腐蚀能力，尤其是含铬的合金其性能更是强于其他类型，例如铁基高温合金[5]。

1.固溶强化

对镍基高温合金性能强化的主要手段是添加适量的固溶强化元素，利用这些元素自身的特性改造高温合金性能。固溶强化型合金有着优良的抗氧化和抗疲劳性能，最突出的优点是组织稳定性，同时还有较好的可塑性。基于这些特性，镍基高温合金可用于生产工作温度较高的金属零部件，如发动机的扇叶。镍的原子半徑和钨、钼等合金元素的原子半径基本一致，基于这些特性，可使镍同时溶解大量的钨、钼和钴等合金元素，却不会出现新的相[6]。根据目前的研究表明：常见金属的一般固溶温度范围可以明显界定，一般在1 050～1 560℃之间。

美国曾经研制出一种性能优良的固溶强化型合金——镍基变形高温合金Haynes280，这种合金不仅具有较强的工作温度，同时在1 400℃的高温时，其强度可达165MPa、延伸率可达87%。这主要是因为在合金中加入了难熔金属元素，例如钨和铬等元素；同时为了阻碍晶粒的发展和强化晶界，在研制过程中添加少量的碳元素以形成碳化物达到强化的目的[7]。目前，国内生产的类似合金在1 400℃的高温强度条件下其强度仅为85MPa左右，与国外相比存在一定的差距。

2.沉淀强化

现阶段，各国提高镍基高温合金的强度和硬度的方式基本一致，对镍基高温合金添加一定量的沉淀强化元素可以使合金在时效时析出γNi5（Al，Ti））相，大大提高了金属的强度，同时也会极大促进高温合金硬化的工作。在添加少量金属元素之后析出的细小弥散可以有效地阻止晶粒的生长。此外，通过添加一定量的稀土可以极大的改善抗氧化腐蚀的性能[8]。为了追求良好的高温蠕变强度、抗氧化和抗腐蚀性能，在生产过程中增强对其的沉淀固化，这一工艺主要是用来生产制作高温工作的零部件，如燃气轮机的涡轮叶片等。另外，镍基合金还在国防工业、化工、石油冶炼领域广泛的应用[9]。

3.氧化物弥散强化

沉淀硬化是传统的高温合金通常采用的强化手段之一，主要基于其析出相的沉淀硬化相对简单易操作，但是在高温的生产条件下，析出相会聚集在一起生成较大个体，还有的会重新固溶于基体中，因而会降低高温合金的工作温度，限制其作用，不能发挥出自身的性能，进而达不到预期的效果[10，11]。

镍基氧化物弥散强化（ODS）高温合金包括2种：第1种是以MA795为代表的低铝含量的合金如MA785、MA795、PM1300等，其本身不具有γ相，同时合金进行制造过程中需要较低的高温强度；第2种是镍基ODS合金，这种合金增加了γ相，同时适当添加了一些钨、铬元素，其中合金中γ相的含量比较高，最高可以达到总体的80%左右，并加入适当的钨、钼等稳定γ相元素，这样可以提高合金的工作温度，提高合金的强度。

在现阶段中，只有有限的几种镍基高温合金开始了商业化的生产和销售，用于发动机燃烧室的MA795合金，用于制作航空发动机导向叶片的MA756合金[12]，以及用于航空发动机叶片的MA6700合金。

三、镍基高温合金的性能研究1.镍基高温合金的力学性能研究

在1976年，科恩等科学家做金属力学实验时发现一种特殊的现象，在实验的过程中以30︰1挤压比来挤压In-155合金，在1 500℃情况下可以得到1 250%的延伸率，同时可以得出结论：这种现象与金属合金中析出的第二相粒子控制晶粒长大有关[13]。

我国的毛雪平等教授在450～650℃高温条件下也进行了多次的拉伸力学试验，实验的对象主要是镍基合金C280，经过多次试验分析温度对弹性模量的影响，还分析温度对合金屈服应力的影响，以及温度对延伸率的作用，得出了镍基合金C280在高温下具有流变的现象以及良好塑性的结论，使我国在此领域的研究更上一层楼。

2.镍基高温合金的氧化行为研究

在高温（通常指工作温度达到1 000℃）的条件下，抗氧化性的实现主要是靠AL315和Cr315保护膜，因此，就需要镍基合金至少要含有这2种元素的其中一种元素，因为抗高温氧化性能和热腐蚀性能的变化影响着镍基合金的强度，其中合金元素量的多少影响着其性能的高低，虽然现阶段高温合金的氧化试验结果比较复杂，没有有力的数据进行分析，学术界在表示高温合金的抗氧化能力上约定俗成以氧化动力学和氧化膜的组成变化来表示[14]。赵越等学者在研究K450在740～1 050℃的恒温氧化行为时，就发现K450氧化动力学曲线几乎符合抛物线规律：合金在850℃以下是完全抗氧化级的，但是在850～1 050℃为抗氧化级，而且K450氧化膜中的内氧化物层是AL315，其中含有一定数量的锡，表面氧化物的颗粒大小与温度成正比，氧化反应速度与温度也成正比。我国的一些研究人员利用静态增重法对新型镍基高温合金在1 350℃的氧化行为进行研究，发现了氧化动力学也遵循抛物线规律，具体表现为在氧化过程中金属元素发生了内氧化，氧化膜主要是以Cr315为主，同时其中还含有Cr206、AL315及Ti01[15]。随着合金内其他金属元素含量的增加，合金产生氧化分解的难度下降，所以金属元素加入后其抗氧化性大为降低[16]。

3.镍基高温合金的疲劳行为研究

在实验室和工厂中，零部件在很多时候必须要承受高温和高压力的作用，同时快速加热或冷却引起的各种瞬间热应力和机械应力叠加在一起，使得金属零部件的局部区域发生塑性变形，进而产生疲劳对零件寿命产生极大影响。基于此原因，必须要对镍基高温合金的高温疲劳行为进行相关的研究[17]。郭军民等[18]在研究铸造镍基高温合金K352室温旋转弯曲疲劳行为时得出一个结论：在应力比R=-1，转速为5 000r/min环境下，K352合金室温旋转弯曲疲劳极限为235MPa，在试样表面极易产生裂纹，同时在靠近表面缺陷处部分产生的可能性也比较大，断口主要有裂纹萌生区，另外有时也会出现裂纹稳态扩展区和瞬间断裂区。黄志宏等学者在研究铸造镍基高温合金M850的高温低周疲劳行为时发现，M850合金在低应变速率下的寿命比较短，只有正常情况下的2/3；因为该合金的强度高，另外还有延性低的特点，这都导致了其具有较低的过渡疲劳寿命[19]。

四、镍基高温合金的净化工艺

金属材料在生产过程中，都会不可避免的混入一些杂质，这就降低了金属自身的纯度和性能。对于镍基合金也不例外，其在制备过程中会或多或少地混入一些夹杂物，这严重影响着整个合金零部件的性能。必须要对这些杂质予以清除，从而净化这些金属零部件，只有这样才能进一步提高合金的整体性能。

例如镍基高温合金GH4175，近几年来我国GH4175合金的研究和发展速度较快，已经有多种升级型号投入生产，现阶段基本可以满足了国内的需求，但是作为一种合金涡轮盘，我国的产品与美日等发达国家存在一定差距，其不论是在研究方面，还是生产方面都存在较大差距[20]。

美国Inconel720合金的制造水平已经达到一个较高的水平，但我国在冶炼GH4175合金过程中，出现一些问题，主要因为我国的冶炼设备技术落后，合金的冶炼工艺路线不合理，甚至是技术参数控制的不精准造成。据有关部门不完全统计：从我国“太行”发动机研制成功以来，在生产中存在黑斑缺陷的钢锭数量占盘锻件总数的3.4%左右，而同期的美国Inconel720合金中几乎没有黑斑现象的问题。另外，美国Inconel720合金中的硫和氧元素的含量低于国产的零部件，其他的杂质含量也远低于国内同类产品。由此可见我国的GH4175合金在冶金质量还有较多问题，这就需要我们继续向前发展，解决存在的问题。

GH4175合金盘锻件的质量几乎是我国同类产品中最好的，因此适用领域较广，随着我国大飞机项目的启动，现有的GH4175合金盘锻件质量已经不能满足需要[21]。在航空航天领域设备的服役寿命更为关键，因此，这也就對合金的持久蠕变性能提出更高要求，同时也对合金的疲劳性能提出了更高的要求。为提高GH4175合金的综合性能必须要提高其纯净度，因此在今后的时间里，需要继续对GH4175合金冶炼工艺进行改进和完善。

GH4175冶炼工艺较为复杂，主要有4个环节：真空感应熔炼、真空自耗重熔两联工艺、真空自耗重熔和电渣重熔等，这也是最为关键的4个环节。目前，国外优质涡轮盘用材制造基本都需要历经这4个环节。采用这种工艺熔炼的优势明显：那就是可以大幅度降低黑白斑出现的可能性，同时减少金属材料的杂质，提高材料的纯净度，最重要的是显著提高了合金的抗疲劳性能[22]。

五、镍基高温合金的发展趋势

随着经济社会的发展，市场对镍基高温合金提出了更高的要求，为满足市场需求，必须对镍基高温合金加快研究，提高其综合性能。

第一，进一步加强对高强度的镍基高温合金的研究。通过添加一定量的铝和镁等金属元素，保证合金的强度提高；根据情况还可以加入大量的钼等难熔金属元素，来提高合金的强度，通过加入钌元素来提高合金的组织稳定性。以上几种做法，可以提高镍基合金的强度。

第二，发展抗热腐蚀性能的单晶合金。通过在合金中加入一定数量的钨等难熔金属，可以在一定情况下提高合金的抗腐蚀性能，随着我国航空航天技术的发展，未来对镍基高温合金的工作温度提出了更高的要求，必须要对高温条件下的腐蚀现象加以解决。

第三，发展密度小和强度高的单晶合金。在航空发动机中，基于飞机荷载的考虑，尽量避免使用较大密度的合金。其中发动机的叶片必须要采用低密度材质，因为，在发动机工作时会产生很大的离心力，在这种情况下密度过大的金属材料很容易出现问题。因此，研发发展密度小且强度高的单晶高温合金迫在眉睫，例如需要研究AM-3、RR2800等类型的合金，并将其尽早地进行商业化生产。

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