1 鎳基鑄造高溫合金的發(fā)展歷程

    鎳基鑄造高溫合金是高溫合金領(lǐng)域中的重要組成部分，在各類精密鑄件生產(chǎn)過程中具有較為突出的優(yōu)勢，其主要原因就是這種材料耐高溫、高抗氧化和耐腐蝕性的性能。早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在 20 世紀(jì) 50 年代后期，隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對高溫合金的強(qiáng)度和使用溫度提出了更高的要求。而提升鎳基高溫合金強(qiáng)度的方法便是提高合金的合金化程度，導(dǎo)致鎳基高溫合金越來越難以變形甚至不能變形，只能采用鑄造工藝生產(chǎn)。另外，隨著發(fā)動機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了空心氣膜孔冷卻葉片。這種具有復(fù)雜內(nèi)腔的空心葉片，只能夠采用熔模鑄造的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。在這種需求下，國內(nèi)外逐漸發(fā)展出了一系列具有良好高溫性能的鎳基鑄造高溫合金牌號。

    鎳基高溫合金材料在 20 世紀(jì) 40 年代初期的英國被首次發(fā)現(xiàn)，其在噴氣式航空領(lǐng)域的應(yīng)用使很多工業(yè)生產(chǎn)商注意到了合金材料性能的重要性。英國于 1941 年首先生產(chǎn)出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)，在之后很長一段時間內(nèi)，美國和蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家也先后研制成功類似的合金材料，而中國在 20 世紀(jì) 50 年代后期也相繼開發(fā)出了一些相同性質(zhì)的合金材料。

    研究鎳基鑄造高溫合金的發(fā)展歷史就不難發(fā)現(xiàn)，它大致有兩個方向的研究路徑：一是通過對合金成分的調(diào)整和組合，研究不同元素添加比對合金性能的影響，進(jìn)而獲取最優(yōu)的元素和成分比；二是通過對鎳基鑄造高溫合金生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化和改進(jìn)，提升合金的制備技術(shù)。如 20 世紀(jì) 50 年代初期，科學(xué)家們通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，研發(fā)了真空冶煉工藝，這一工藝技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為鎳基鑄造高溫合金的制備提供了技術(shù)方面的保障；20 世紀(jì) 60 年代，發(fā)達(dá)國家通過研究，提出了熔模精密鑄造工藝，生產(chǎn)出了大量具有良好高溫性能的鑄造合金。在隨后的若干年里，又陸續(xù)研發(fā)出了一些高溫性能更好的單晶鑄造高溫合金。隨著航空航天發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對鎳基鑄造高溫合金也有了更高的要求。所以，從 20 世紀(jì) 50 年代初至 90 年代末的 40 多年時間里，隨著研發(fā)能力的不斷提升，鎳基鑄造高溫合金的性能和使用溫度也越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。

    2 鎳基鑄造高溫合金的強(qiáng)化機(jī)理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    2.1 固溶強(qiáng)化

    鎳基鑄造高溫合金提升性能的方法之一是固溶強(qiáng)化，它是指將鋁、鈦、鈮、鉭等可以與基體形成 γ′ 相的合金元素融入合金中，造成一定的晶格畸變，從而提升合金強(qiáng)度的方法。這種通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強(qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。該類型合金具有較優(yōu)異的抗氧化和抗疲勞特性，最明顯的優(yōu)勢就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，同時有較好的熱可塑性。根據(jù)上述特點(diǎn)，鎳基鑄造高溫合金可用來制造溫度變化較大的金屬材料零件，如：航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片、渦輪機(jī)匣部件等。

    美國 Haynes 公司 (哈氏合金) 在 2005 年研發(fā)出了一種優(yōu)異的鎳基變形高溫合金 Haynes282，該合金的使用溫度在 649～ 927 ℃之間，并且通過優(yōu)化成分以及控制合金中的 γ′ 的含量，使該合金兼具了良好的蠕變強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的可加工性能和良好的焊接性能，這主要得益于在合金中加入了難熔的各種金屬成分，如鎢和錳等微量成分。

    2.2 沉淀強(qiáng)化

    近些年來，研究人員對提高鎳基鑄造高溫合金的強(qiáng)度和性能的方法大多一致，即使是添加材料的不同，也變化不大。在進(jìn)行提高合金強(qiáng)度和性能的研究過程中，研究人員一般會在合金中加入少許沉淀強(qiáng)化元素，通過熱處理工藝過程從合金組織的母相中析 出第二相 (γ′、 γ″、碳化物等 )，進(jìn)而大幅提高合金的強(qiáng)度。鎳基鑄造高溫合金中典型的 γ′ 相為 Ni3Al 或Ni3Ti。其強(qiáng)化途徑有以下兩種：一是通過增加合金中Ai、 Ti 元素含量進(jìn)而增加 γ′ 相的數(shù)量；二是可以加入Co、 W、 Mo 等元素來提高 γ′ 相的強(qiáng)度。通過一些元素的增加，析出的第二相能夠有效抑制金屬材料顆粒的發(fā)育生長。采用這種強(qiáng)化方式的合金大多用于制作發(fā)動機(jī)高溫部件，如：航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片等。

    3 鎳基鑄造高溫合金熱處理技術(shù)發(fā)展情況

    鎳基鑄造高溫合金熱處理，是指對鎳基高熱合金產(chǎn)品在鑄態(tài)下，采用加熱、保溫和淬火的加工方法，以達(dá)到預(yù)期顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的一類金屬材料熱加工工藝。研究熱處理對合金的微觀組成的影響，以探索良好的熱處理機(jī)制，對改善合金的高溫特性具有積極的意義。其中，固溶處理和時效處理是主要的熱處理工藝。固溶處理指的是合金顯微組織中過剩相充分溶解到基體相中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。固溶處理可以強(qiáng)化固溶體并提高基體抗腐蝕性能，同時能夠消除基體鑄造殘余應(yīng)力，一般作為預(yù)備熱處理，為后續(xù)的機(jī)械加工和隨后的時效處理做準(zhǔn)備。時效處理是指在強(qiáng)化相析出的溫度區(qū)間內(nèi)加熱并保持一段時間，使高溫合金的強(qiáng)化相均勻析出，從而提高鑄件的強(qiáng)度。近年來，國內(nèi)研究者也對鎳基鑄造合金熱處理工藝開展了更加廣泛和深入的研究。楊賀陽關(guān)于新型含有稀土金屬的新型鎳基單結(jié)構(gòu)高溫復(fù)合材料，探討了不同熱處理方法對其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響，采用差熱分析方法確定復(fù)合材料的固相線與液相線溫度，采用金相試驗(yàn)法測定該復(fù)合材料的初熔溫度，最后制定出該復(fù)合材料的熱處理技術(shù)方法。馬特等深入研究了各種熱處理方法對GH4169 合金力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的影響作用，研究結(jié)果表明，在固溶處理的溫度很低時，金屬 γ′ 相會被充分熔化而產(chǎn)生與形狀不均的 γ′ 相共存的結(jié)構(gòu)，這樣就能夠抑制金屬晶粒的生長，從而增加了合金的塑性和硬度，在長時間環(huán)境溫度較低，時效時間較長的情況下，γ′ 的數(shù)量可以有所增加，因此合金的硬度增加，但塑性卻減小。王樹森等對等溫鑄造的 GH4169G 合金，進(jìn)行了不同的熱加工和蠕變后的機(jī)械性能試驗(yàn)，結(jié)果表明通過直接時效和一次固溶，二次時效的方法熱加工后，合金中的 δ 相一般呈現(xiàn)出粒子狀或針狀。直接時效可降低合金應(yīng)力集中、延緩裂縫的形成和擴(kuò)大，而標(biāo)準(zhǔn)熱處理則能大大降低奧氏體晶界的結(jié)合硬度，從而促進(jìn)了奧氏體晶界中裂縫的形成和擴(kuò)大。竇學(xué)錚等以 Inconel718 鎳基合金為主要研究對象，對在各種熱處理及加工制度下合金的微觀組成、熱力學(xué)性能和耐蝕性能之間的相互關(guān)系開展了深入研究，結(jié)果表明伴隨固溶溫度的升高，合金中 δ 相進(jìn)一步溶解，當(dāng)固溶溫度由室溫升至 1020 ℃時， δ 相充分熔化。另外，經(jīng)固溶處理后的 Inconel718 合金抗氧化的能力，略好于經(jīng)固溶 + 時效處理的合金材料[4]。朱勇等以生產(chǎn)某內(nèi)燃機(jī)排氣閥的鎳基合金為主要科研目標(biāo)，探討了在三個不同的熱加工體系 (T1：850 ℃× 4 h，AC.+730 ℃× 4 h， AC.；T2：704 ℃× 24 h， AC.；T3：760 ℃× 16 h，AC.) 時，對該合金的室內(nèi)溫度動力學(xué)的作用問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：T1 制下合金強(qiáng)韌度最大，達(dá)347HV10；T1、 T3 制下合金室溫的抗拉強(qiáng)度比均超過了 1 200 MPa；T2 制下的延展性比最好，超過了三分之一，特別適合于對塑性要求較高的工作環(huán)境[5]。馮玥焓等在探討固溶強(qiáng)化處理時間對鎳基高鐵合金中Re、 Ru 元素分布及其微觀形態(tài)的影響作用后認(rèn)為，由于固溶強(qiáng)化處理時間對 Re、Ru 元素分布影響明顯，當(dāng)固溶強(qiáng)化時間小于 1 h 時， Re、Ru 成分均出現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象；當(dāng)固溶強(qiáng)化時間達(dá)到 20 h 后，兩者的偏析現(xiàn)象明顯改善。桂萬元等深入研究了固溶處理對某鎳基單晶鑄造高溫合金微觀組成和偏析程度的影響，并發(fā)現(xiàn)合金鑄態(tài)組織中具有顯著的成份偏析現(xiàn)象，而通過優(yōu)化熱處理制度，提高固溶溫度可以有效減少合金成份偏析的情況。

    4 鎳基鑄造高溫合金熱處理技術(shù)最新進(jìn)展

    近些年來，隨著鎳基鑄造高溫合金材料在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的廣泛應(yīng)用，這一材料的熱處理技術(shù)水平也不斷提升，相關(guān)學(xué)者將有限元數(shù)值模擬方法和熱處理工藝進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。研究了熱處理工藝參數(shù)實(shí)際應(yīng)用方面的具體影響，并根據(jù)熱加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確立了析出溫度，相對于高溫合金性能之間的對應(yīng)關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)過程中大量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析論證構(gòu)建了熱處理模擬數(shù)據(jù)庫。近年來，有研究人員開展了高溫合金大型艦船用發(fā)動機(jī)部件熱處理工藝技術(shù)研究，把有限元數(shù)值模擬方法和熱處理技術(shù)進(jìn)行了深入融合，對實(shí)際制造的工藝技術(shù)參數(shù)控制、鑄件品質(zhì)管理等方面都具有重要價值。同時，也節(jié)約了工藝人員在數(shù)據(jù)處理、方案設(shè)計(jì)上需要的時間，促進(jìn)鎳基合金熱處理技術(shù)向智能化、高效化發(fā)展。隨著協(xié)同制造理念的發(fā)展，熱處理工藝的研究人員也逐漸和鎳基鑄造高溫合金研發(fā)人員開展合作，將熱處理工藝和合金成分設(shè)計(jì)結(jié)合起來，在鎳基高溫合金研發(fā)的初期就開始考慮合金最佳的熱處理工藝，使鎳基鑄造高溫合金達(dá)到最好的使用性能。

    5 結(jié)語

    綜上所述，本文主要針對鎳基鑄造高溫合金發(fā)展史及熱處理工藝的現(xiàn)狀行了探討，對現(xiàn)階段中國鎳基鑄造高溫合金熱處理技術(shù)的發(fā)展情況以及發(fā)展歷史作出了詳細(xì)的介紹，對發(fā)展現(xiàn)狀以及具體的研究方向進(jìn)行了闡述。隨著近年來我國工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，相關(guān)行業(yè)對合金材料性能需求也在大幅提升，作為能夠有效改善鎳基鑄造高溫合金特性的金屬熱處理工藝，其優(yōu)勢明顯且無法被其他工藝替代，需要在熱處理工藝前沿技術(shù)方面開展進(jìn)一步的探索。