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(shì)，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(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對(duì)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(dòng)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(hào)。

    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(shí)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(gè)方向的研究路徑：一是通過對(duì)合金成分的調(diào)整和組合，研究不同元素添加比對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(shí)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(shì)就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，同時(shí)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(dòng)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(duì)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(huì)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(dòng)機(jī)高溫部件，如：航空發(fā)動(dòng)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(duì)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(duì)合金的微觀組成的影響，以探索良好的熱處理機(jī)制，對(duì)改善合金的高溫特性具有積極的意義。其中，固溶處理和時(shí)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(shí)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(shí)效處理做準(zhǔn)備。時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(shí)，金屬 γ′ 相會(huì)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(shí)間環(huán)境溫度較低，時(shí)效時(shí)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(duì)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(shí)效和一次固溶，二次時(shí)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(shí)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(duì)象，對(duì)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(shí)， 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(shí)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(gè)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(shí)，對(duì)該合金的室內(nèi)溫度動(dòng)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(duì)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(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì) Re、Ru 元素分布影響明顯，當(dāng)固溶強(qiáng)化時(shí)間小于 1 h 時(shí)， Re、Ru 成分均出現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象；當(dāng)固溶強(qiáng)化時(shí)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(duì)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(duì)于高溫合金性能之間的對(duì)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(dòng)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(duì)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(jià)值。同時(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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。