鎳基高溫合金成分和性能

鎳基高溫合金已經(jīng)成為了高溫合金中用得廣、高溫強度高的一類合金。為什么會如此，是由其特殊的成分和性能來決定的，主要的原因有三個：

    一、含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。

    二、鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性。

    三、可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度。

    鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據(jù)它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

    鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。

    固溶強化型合金：具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應(yīng)力不大(每平方毫米幾公斤力，見表1)的部件，如燃氣輪機的燃燒室。

    沉淀強化型合金：通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應(yīng)力較高(每平方毫米十幾公斤力以上) 的部件，如燃?xì)廨啓C的渦輪葉片、渦輪盤等。

    鎳基高溫合金組織

    鎳基合金的顯微組織特點及其發(fā)展情況，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：γ'相數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ'相。在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。

 
    鎳基高溫合金的組織和性能的發(fā)展

    現(xiàn)代鎳基合金的化學(xué)成分十分復(fù)雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素(尤其是主要強化元素)的含量嚴(yán)加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如σ、µ相(圖4)，損害合金的強度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發(fā)展出了定向結(jié)晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片。
 

    鎳基高溫合金中的σ相(針狀相)

    定向結(jié)晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。
 

    鎳基鑄造高溫合金的宏觀組織和蠕變性能 

    a.常規(guī)鑄造等軸晶、b.定向結(jié)晶柱狀晶 c.單晶

    鎳基高溫合金生產(chǎn)工藝

    鎳基合金，特別是沉淀強化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，并經(jīng)真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。

    變形合金和部分鑄造合金需進(jìn)行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。

我國鎳基高溫合金生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能情況分析

    據(jù)行業(yè)分析師指出：中國從事鎳基高溫合金生產(chǎn)的企業(yè)分為兩類，一類是鋼企，如撫順特鋼、長城特鋼、寶鋼特鋼公司、鋼研高納等另一類則是研究院所，如哈爾濱實鈦材料研究院（深圳實鈦）、北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院、中科院沈陽金屬研究所等。撫順特鋼、長城特鋼、寶鋼特鋼等鋼企主要生產(chǎn)大批量、通用性、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品，航空航天領(lǐng)域中用量最大的鎳基高溫合金主要由其生產(chǎn)，而航材院等研究所主要生產(chǎn)小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，兩者直接存在競爭的領(lǐng)域有限。在鎳基高溫合金的領(lǐng)域，競爭的參與者除鋼研高納外，主要是航材院，在航空發(fā)動機領(lǐng)域基本上形成雙寡頭格局。