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高温合金（镍基耐热合金）的特性及应用

耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下的最高使用温度一般只能达到750～850℃，对于更高温度下使用的部件，则采用镍基、钴基及难熔金属为基的合金。
⑴镍基高温合金的合金化
镍基高温合金是在英国Nimonic合金（Ni80Cr20）基础上发展起来的，合金中加入了大量强化合金元素，例如W、Mo、Ti、Al、N、Co等，大多数镍基合金不含铁或少含铁( ＜10％ )。合金的基体是Ni，因此基体为A。合金中的Ti、Al和Ni可生成稳定性很好的强化相γ′[Ni3（Al 2Ti）]相。γ′相的稳定性与其中Al/Ti有关：当Al/Ti＜1（摩尔比）时，就会出现η相（Ni3Ti）相，引起热强性降低；当Al/Ti＞1时，得到稳定γ′相。随使用温度升高铝、钛总量需增加，且Al/Ti比也要升高。但Ti、Al含量不能太高，太高将使锻造性能变坏。合金中加入Nb，可形成γ′[Ni3(Al,Ti,Nb)]相，也有很好的沉淀强化效果。合金中的W、Mo、Cr、Co等元素除固溶强化基体外，Co元素可增加基体对Ti、Al、Nb溶解度，增加γ′相的析出数量，Cr更重要的作用是抗氧化。为了强化晶界，合金中还加入B、Ce、Zr等微量元素。耐热合金中杂质元素，特别是低熔点金属元素Pb、Sb、Sn控制严格，因为它们可强烈降低晶界强度。
常用的镍基合金以面心立方结构的γ相为基体，沉淀强化相以γ′-[Ni3(Al,Ti)]为主，可占合金中体积分数的50～70％，此外还可以形成γ＂-Ni3Nb共格相。在镍基合金中尚存在MeC、MeC6、Me23C6等碳化物。
我国常用的镍基高温合金。它们用“高温”汉语拼音字母两个字头“GH ”表示（包括铁基系）、国外镍基高温合金，英国主要有Nimonic、美国有Inconel、In、Mar-M、Rene′、Hastalloy系列等，原苏联主要为ЭИ系列。常用镍基耐热合金可分成三类：即，固溶强化型、沉淀强化变形类及铸造类镍基合金。
⑵镍基高温合金分类
①变形镍基高温合金 这类合金具有较高的高温强度和高温持久寿命，较好的持久塑性，较好的加工性能，其使用温度为700～1000℃。主要用作喷气发动机的涡轮叶片、导向叶片和涡轮盘等。这类合金的热处理有：固溶处理、时效和中间处理。经热处理后，可获得均匀的固溶强化相，适当的晶粒度和分布较好的沉淀强化相，现分述如下：
ⅰ 固溶处理 形变镍基高温合金一般固溶处理温度为1040～1230℃。固溶处理的冷却速度对合金的组织与性能有较大的影响。倘若炉冷至室温，虽能强化晶界，但由于缓慢冷却可使晶界析出相粗化，导致合金的硬度、强度显著降低。反之，快速冷却则有利于随后时效过程中从晶内沉淀析出弥散分布的γ′相，使合金获得较佳的强化效应。为了兼顾晶界与晶内两方面的性能，一般在固溶处理过程中采用分级冷却，即先炉冷到某一中间温度，然后空冷，或直接在某一中间温度时效。中间温度越低，则晶界锯齿状越明显，硬度越低。
ⅱ 时效 经固溶处理的高温合金处于介稳状态，在时效中将从基体γ相中沉淀析出γ′相以及碳化物相，各种合金都有一个最佳时效温度和最佳时效时间。一般而言，高温合金的合金化程度越高，则其γ 相溶解温度越高，因此选择较高的时效温度为适宜。
ⅲ 中间热处理 所谓中间热处理可称为中间时效，亦可称为第二次固溶处理，以γ′相溶解温度为分界。经中间热处理可以有效的控制合金的晶界沉淀相的种类、大小、数量和分布；控制晶内γ′相的分布，为最后的时效处理做好组织上准备。
②铸造镍基高温合金 
由于熔炼新工艺、细化晶粒及小孔铸造技术的发展，使铸造镍基高温合金的质量获得较大的改善与提高。因此，铸造镍基高温合金的使用温度可达1050℃。
铸造镍基高温合金的显微组织特点是存在有疏松、偏析及树枝状晶。铸造镍基高温合金采用精密铸造，缓慢冷却，多数析出反应进行得比较完全，所以在铸态下可直接使用，即使进行热处理也比较简单。为改善铸造镍基高温合金的组织不均匀性和缺陷，通常可采用热等静压处理工艺，经这种处理可显著提高钢的抗热疲劳性能，大幅度提高钢的中温持久寿命。
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资料来源：东莞市瀚弘不锈钢铜铝有限公司
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