半個世紀以來，中國發(fā)展并形成了許多鎳基高溫合金體系，以滿足日益增長的電力、運輸、航空和航空航天行業(yè)的需求，特別是鎳基高溫合金的發(fā)展，為中國航空發(fā)動機性能的顯著提高做出了重大貢獻。簡要介紹了鎳基高溫合金的發(fā)展過程，總結了近年來鎳基高溫合金的研究進展，探討了鎳基高溫合金的應用和發(fā)展趨勢。高溫合金用于現代燃氣渦輪發(fā)動機50%以上的優(yōu)質材料，其中鎳基高溫合金用量約占發(fā)動機材料的40%。鎳基合金在中高溫下綜合性能優(yōu)異。適用于長期高溫工作，具有耐腐蝕性和耐磨性。它是最復雜的合金，廣泛應用于高溫零件，也是許多冶金工人對所有超合金最感興趣的合金。鎳基高溫合金主要用于航空航天領域950~1050℃航空發(fā)動機工作葉片、渦輪板、燃燒室等結構部件。因此，研究鎳基高溫合金對我國航空航天的發(fā)展具有重要意義。1 鎳基高溫合金以鎳為基體(含量一般大于50%)，650~1000℃高溫合金強度高，抗氧化性好，耐燃氣腐蝕性好。它是在Cr20Ni在80合金的基礎上發(fā)展，以滿足1000，℃在氣體介質中添加如高溫熱強度(高溫強度、蠕變阻力、高溫疲勞強度)和大量的強化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co確保其優(yōu)越的高溫性能。除了固溶強化，高溫合金更依賴于Al、Ti等與Ni形成金屬間化合物γ′相(Ni3Al或Ni3Ti等)沉淀強化和部分小穩(wěn)定MC、M23C碳化物晶體內彌散強化B、Zr、Re凈化和加強晶界Cr目的是進一步提高高溫合金的抗氧化性和耐高溫腐蝕性。鎳基高溫合金綜合性能好，已廣泛應用于航空航天、汽車、通信和電子工業(yè)部門。隨著鎳基合金潛在性能的探索，研究人員對其使用性能提出了更高的要求，國內外學者開發(fā)了等溫鍛造、擠壓變形、包裝變形等鎳基合金的新加工工藝。2 鎳基高溫合金在整個高溫合金領域發(fā)揮著特別重要的作用。它的開發(fā)和使用始于20世紀30年代末，是在噴氣飛機對高溫合金性能提出更高要求的背景下發(fā)展起來的。1941年，英國首次生產鎳基合金Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)，為了提高蠕變強度，增加鋁Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。20世紀40年代中期，蘇聯(lián)在20世紀40年代末開發(fā)了鎳基高溫合金。鎳基高溫合金的發(fā)展包括合金成分的改進和生產工藝的創(chuàng)新。20世紀50年代初，真空熔煉技術的發(fā)展為含有高鋁和鈦的鎳基合金的煉制創(chuàng)造了條件；20世紀50年代末，采用熔模精密鑄造工藝，開發(fā)了一系列高溫強度良好的鑄造合金；自20世紀60年代以來，還開發(fā)了一批耐熱性好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。鎳基合金的工作溫度從40年代初到70年代末約為40年代℃提高到1100℃，平均每年增加10℃左右。鎳基合金的工作溫度從40年代初到70年代末約為40年代℃提高到1100℃，平均每年增加10℃左右。鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢如圖1所示。

　　圖1 鎳基高溫合金發(fā)展趨勢3 鎳基高溫合金性能研究3.1 鎳基高溫合金的力學性能研究于20世紀70年代，B.H.Kean在進行持久實驗時，發(fā)現擠壓比為16:1In-100合金，在1040℃實驗溫度下的延伸率為1330%，這與合金中沉淀的第二相粒子控制晶粒的生長有關。粉末高溫合金由于其細晶組織，更容易獲得超塑性In-100、In-713、U-通過粉末冶金，700等鎳基高溫合金可獲得超塑性，延伸率可達1000%。也可以通過快速凝固實現高溫合金晶粒的細化，從而獲得組織超塑性。500~600毛雪平等℃鎳基合金在高溫條件下C276分析了溫度對彈性模量、屈服應力、斷裂強度和伸長率的影響C276在高溫下屈服流變，塑性好。3.2 鎳基高溫合金在高溫條件下氧化可靠Al2O3和Cr2O3.鎳基合金必須含有這兩種元素之一或兩種，特別是當強度不是合金的主要要求時，應特別注意合金的耐高溫氧化熱腐蝕性。雖然高溫合金的高溫氧化行為非常復雜，但高溫合金的氧化性能因合金元素的含量而異，但高溫合金的抗氧化能力通常表現為氧化動力學和氧化膜的組成變化。趙越等著研究K447在700~950℃恒溫氧化發(fā)現其氧化動力學符合拋物線規(guī)律：900℃以下是900~950的完全抗氧化等級℃而且抗氧化K氧化膜分為三層，外層疏松Cr2O3和TiO含少量混合物NiO及NiCr2O尖晶石；中間層是Cr2O三、內氧化物層是Al2O3并含有少量TiN，隨著溫度的升高，表面氧化物顆粒變大，導致表面松動，氧化反應加快。利用靜態(tài)增重法研究950種新型鎳基高溫合金℃氧化發(fā)現氧化動力學也遵循拋物線的規(guī)律，在氧化過程中發(fā)生內部氧化Cr2O三為主，并含有(Co，Ni)Cr2O4、Al2O3及TiO2。薛茂全在研究MoS800鎳基高溫合金℃發(fā)現恒溫氧化100h之后，由于合金表面的氧化Cr2O3和NICr2O四、保護膜逐漸抑制氧化過程MoS因此，合金產生的氧化分解和揮發(fā)性增加MoS2.添加不利于材料的抗氧化性。3.3 鎳基高溫合金疲勞行為研究在實際應用中，各部件承受高溫、高應力，特別是在啟動、加速或減速、快速加熱或冷卻各種瞬時熱應力和機械應力，導致局部塑性變形和疲勞影響部件壽命，因此研究其高溫疲勞行為。何衛(wèi)鋒等正在研究激光沖擊工藝GH根據742鎳基高溫合金疲勞性能的影響，激光沖擊強化可延長鎳基高溫合金抗拉疲勞壽命316倍以上，振動疲勞壽命214倍，殘余壓應力深度110倍mm。當435室溫旋轉彎曲疲勞時，研究鑄造鎳基高溫合金的郭曉光發(fā)現應力比R=-1，轉速為5000r/min(8313Hz)在實驗室靜態(tài)空氣介質環(huán)境中，K435合金室溫旋轉彎曲疲勞極限為220MPa，裂紋主要發(fā)生在樣品表面或近表面缺陷處，主要由裂紋萌生區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)組成。黃志偉正在研究鑄造鎳基高溫合金M963高溫低周疲勞發(fā)現高溫氧化作用在同一總應變范圍內，M由于合金強度高，延性低，變形以彈性為主，M963合金塑性應變幅度低，過渡疲勞壽命低。余慧臣發(fā)現，760溫度對合金變形有明顯影響，因為合金在不同溫度范圍內有不同的微變形機制℃以下合金為850循環(huán)硬化℃和980℃時間表現為循環(huán)軟化。3.4 研究鎳基高溫合金的高溫蠕變作為溫度T≥(0.3~0.5)Tm與時間相關的塑性變形發(fā)生在恒定載荷的連續(xù)作用下。3.4 研究鎳基高溫合金的高溫蠕變作為溫度T≥(0.3~0.5)Tm當材料在恒定載荷的連續(xù)作用下發(fā)生與時間相關的塑性變形時。事實上，原子熱運動在高溫下加劇，使位錯從障礙物中解放，導致蠕變。在分析鎳基單晶合金的拉伸蠕變特性時，水利發(fā)現980~1020℃、200~280MPa蠕變曲線由初始、穩(wěn)態(tài)和加速蠕變組成γ′從最初的立方體形態(tài)演變?yōu)榇怪庇趹SN-筏形；初始階段位錯在基體八面體滑移系中運動；不同的柏氏矢量位錯在穩(wěn)態(tài)階段相遇，反應形成位錯網；蠕變末期，應力集中導致位錯網大量損壞γ′這是合金蠕變斷裂的主要原因。在研究熱處理對鎳基單晶高溫合金高溫蠕變性能的影響時，李楠發(fā)現尺寸為0.4μm左右立方，規(guī)則排列γ′高溫蠕變性能好，小γ′相和較大的γ′均勻性不利于合金在高溫下的蠕變性能。在研究熱處理對鎳基單晶高溫合金高溫蠕變性能的影響時，李楠發(fā)現尺寸為0.4μm左右立方，規(guī)則排列γ′高溫蠕變性能好，小γ′相和較大的γ′均勻性不利于合金在高溫下的蠕變性能。二次及時處理對提高合金的高溫蠕變強度影響不大。筏形組織的改進影響了合金在高溫下的蠕變性能γ′不利于提高合金的高溫蠕變性能。4 鎳基高溫合金強化研究4.1 熱處理合金二相粒子γ′探索合適的熱處理系統(tǒng)，對控制和穩(wěn)定合金的微組織，提高合金的高溫性能具有積極意義。經過長期的反復研究，時效強化的本質是從過飽和固溶體中沉淀許多非常小的沉淀顆粒，形成一些小的溶質原子富集區(qū)。固體溶解處理前，必須嚴格控制加熱溫度，使溶質原子在不導致合金熔化的情況下最大限度地溶解在固體溶解體中。在人工及時處理中，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，以達到理想的強化效果；生產有時采用分段限制，即在室溫或略高于室溫的溫度下保溫一段時間，然后在較高溫度下保溫一段時間。官秀榮在研究新型高溫合金的固溶處理條件和高溫時效時，發(fā)現高溫時效4h因為γ′方度好，尺寸小(150~320nM)，延長時間，γ′長大，繼續(xù)延長時間，γ′邊緣開始鈍化。在研究新型鎳基高溫合金長期時效后的組織穩(wěn)定性和高溫性能時，發(fā)現合金為850℃時效4000h之后，主要沉淀相對γ′相、MC和微量的M23C沒有長條η相和脆化相σ經分析，合金組織穩(wěn)定，強度明顯高于原合金。林萬明在研究高溫時效對高溫鎳基合金沉淀強化的影響時，發(fā)現經過一定時間的處理，γ′沉淀強化相呈球形分散γ溫度隨時升高，γ′沉淀相顆粒粗化，降低合金屈服強度，提高拉伸塑性；隨著時間限制的延長，合金屈服強度增加，但時間限制超過1萬h屈服強度和伸長率開始下降。在研究熱處理過程中，當403鎳基高溫合金的組織和性能受到影響時，姜帥峰等K發(fā)現合金經過1140℃、1180℃不完全固溶后，組織大小為2 種尺寸的γ′相；經過1210℃完全固溶后，空冷，均勻沉淀0.2μM的γ′經過1190年，合金的抗拉強度和硬度有所提高℃，4h，AC 940℃，16h，AC處理后，合金具有最佳的抗拉強度和硬度；1190℃，4h，AC 980℃，16h，AC處理后，γ′相長大到0.6μM，合金硬度相對下降。4.2 由于鎳基高溫合金成分非常復雜，含有鉻、鋁等活性元素，氧化或熱腐蝕環(huán)境中高溫合金零件表面化學不穩(wěn)定，機械加工零件表面留下加工硬化或殘余應力等表面缺陷，對高溫合金零件的化學性能和機械性能有非常不利的影響。4.2 由于鎳基高溫合金成分非常復雜，含有鉻、鋁等活性元素，高溫合金零件表面在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現為表面化學不穩(wěn)定，機械加工零件表面留下加工硬化或殘余應力等表面缺陷，對高溫合金零件的化學性能和機械性能有非常不利的影響。為消除這些影響，經常采取表面保護、噴丸處理、表面顆粒細化和表面改性等措施。噴丸強化是提高工業(yè)疲勞性能的常用表面改性技術。高玉魁發(fā)現噴丸強化可以延長DD隨著溫度的升高，單晶高溫合金的疲勞壽命降低。在實際應用中，發(fā)現噴丸處理對材料強化效果差，合金疲勞性能略有提高。隨著高能脈沖激光制造水平的提高，激光沖擊強化技術的發(fā)展無疑是一種理想的替代方法。它是一種新型的金屬表面強化技術，通過強激光誘導的沖擊波將殘余壓力應力引入金屬表面，抑制疲勞裂紋的萌發(fā)。在研究激光沖擊對鎳基合金疲勞行為的影響時，王成發(fā)現激光沖擊處理的強化效應可以大大降低裂紋膨脹率，延緩疲勞裂紋的發(fā)生，抑制裂紋的膨脹。在某些強化區(qū)域，應力強度因子的門檻值可以顯著提高，材料的疲勞性能可以顯著提高。此外，激光沖擊強化可以細化材料的內部晶粒，延長材料的疲勞壽命1.5~4倍。4.3 鎳基高溫合金可以溶解更多的合金元素，如Cr、W、Mo、Co、Si、Fe、Al、Ti、B、Nb、Ta、Hf等等。在基體中添加這些合金元素會產生合金強化效應，影響鎳基高溫合金的性能，改善合金組織.3.1 RE在鎳基合金中加入微量稀土元素，可提高合金的熱加工性能和抗氧化性能。在研究稀土對鎳基高溫合金性能的影響的電子理論中，周永軍發(fā)現稀土和雜質硫相互吸引，分散和固定部分雜質，可以提高合金的高溫性能.3.2 C最近的研究發(fā)現，添加碳可以凈化合物

　　金液能提高合金的耐腐蝕性，降低再結晶的概率。微量添加碳也有助于降低合金縮孔含量。在研究碳對單晶鎳基高溫合金鑄造組織的影響時，劉麗榮發(fā)現，隨著碳含量的增加，合金的初始熔化溫度逐漸降低，共晶數量和尺寸逐漸增加，碳化物的形狀從斑點變?yōu)榘唿c和骨架的網狀結構，分支間距變化較大，分支間距變化較小，W 和Al元素偏析減少，Ta和Mo元素偏析增加。薛茂全正在研究900種鎳基高溫合金的石墨含量℃當發(fā)現石墨含量低(0%、3%)時，鎳基合金氧化動力學符合拋物線規(guī)律，表面氧化膜無剝落；當石墨含量為0%時，合金氧化膜由合金氧化膜制成Cr2O3和NiCr2O4.當石墨含量為3%時，合金氧化膜由合金氧化膜組成Cr2O3.當石墨含量增加到6%時，大量石墨的氧化分解導致合金初始氧化嚴重，石墨分解孔加速氧化反應過程。4.3.3 Cr為了保持合金的組織穩(wěn)定性，第二代和第三代單晶高溫合金不得不提高不熔金屬元素，降低元素Cr的含量，Cr持續(xù)降低含量會損害合金的抗氧化性和耐腐蝕性，并在第四代鎳基單晶高溫合金中引入新的合金元素Ru，能提高鎳基高溫合金的液相線溫度，提高合金的高溫蠕變性能和組織穩(wěn)定性，類似于第三代單晶高溫合金，第四代單晶高溫合金Cr2%~4%的質量分數仍然較低。目前國內外對高Cr Ru鎳基高溫合金的研究仍然非常有限。目前國內外對高Cr Ru鎳基高溫合金的研究仍然非常有限。石立鵬等人正在研究高溫合金Ru和高Cr對鎳基高溫合金組織穩(wěn)定性的影響Cr能促進TCP而高Ru的添加在高Cr能有效抑制合金TCP從而提高組織穩(wěn)定性。4.3.4 其它元素Al、Ti和Ta元素是近年來單晶高溫合金發(fā)展的重要元素。Al和Ti是γ′同時形成元素Ti也是MC碳化物形成元素；Ta可替換部分Al和Ti而進入γ′也與碳形成穩(wěn)定TaC，絕大多數單晶高溫合金只有微量碳Ta幾乎都進入γ′相。因此，Al、Ti和Ta是γ′相形成和強化元素的含量可以決定合金的強化相γ′百分含量及其強化程度。劉麗榮等待研究Al、Ti和Ta隨著鎳基單晶高溫合金時效組織含量的影響Al、Ti、Ta熱處理后總量增加γ′從圓形到立方形再到不規(guī)則形狀，γ′和γ兩相的錯配度γ′950后，相形成元素加入量逐漸增加℃直到1000hγ′相也沒有形筏。在1050℃、500h長期時效后，部分合金與木筏連接，但錯配度最小，合金最大A E沒有形筏，但尺寸明顯增大，高Al、Ti和Ta含量合金E在持久試驗過程中沉淀大量富含量W 和Mo的μ相。5 鎳基高溫合金的應用及發(fā)展趨勢5.1 鎳基高溫合金在航空航天發(fā)動機中的應用條件為600~1200℃，應力復雜，材料要求嚴格；鎳基高溫合金耐熱強度足夠高，塑性好，耐高溫氧化和氣體腐蝕，組織穩(wěn)定性長。因此，鎳基高溫合金主要用于制造渦輪發(fā)動機熱端部件和航空火箭發(fā)動機的各種高溫部件。在航空渦輪發(fā)動機中，鎳基高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪板；除發(fā)動機軸、燃燒室隔板、渦輪進氣管和噴灌外，還主要用于航空航天火箭發(fā)動機。隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，鎳基高溫合金逐漸應用于能源、運輸、石化、冶金礦山、玻璃建材等民用工業(yè)部門。目前，鎳基高溫合金主要用于柴油機和內燃機增壓渦輪、工業(yè)燃氣輪機、內燃機閥座、轉向輥等.2 從使用和發(fā)展的角度分析鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢，必須向低密度方向發(fā)展鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢。(1)追求高強度。添加適量Al、Ti、Ta，保證γ′強化相的數量；增加大量W、Mo、Re難熔金屬元素也是提高強度的有效途徑。但為了保持良好的組織穩(wěn)定性，不沉淀σ、μ加入新一代合金等有害相Ru提高合金的組織穩(wěn)定性。(2)開發(fā)具有優(yōu)異耐熱性和耐腐蝕性的單晶合金。添加適量W、Ta等待難熔金屬，確保高Cr內容。(3)開發(fā)低密度單晶合金。從航空發(fā)動機設計的角度來看，密度高的合金很難有所作為，尤其是對動葉片，離心力大。因此，應開發(fā)低密度單晶高溫合金，如CMSX-6、RR2000、TMS-61、AM-3、ONERAM-3等，其中的RR事實上，2000單晶合金是在IN100(K17)以合金為基礎，密度為7.87g/cm3。6 結論鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特別重要的地位。鎳基高溫合金的發(fā)展勢在必行。鎳基高溫合金是航空工業(yè)中使用的重要金屬材料。隨著飛機發(fā)動機和滿足高峰負荷發(fā)電要求的工業(yè)燃氣輪機的出現，所用材料應具有抗疲勞、抗熱疲勞、熱膨脹系數低、彈性模量高、密度低等綜合性能。因此，高溫合金的發(fā)展具有較高的耐熱性和耐腐蝕性，對我國航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。