整机丨621所：航空发动机用镍基铸造高温合金及热处理工艺研究

随着科技的发展，航空航天、汽车等行业的工业生产要求不断提升，燃气轮机、涡轮叶片机匣等领域高温部件，为了适应整体工业生产的要求，对原材料性能的要求也随之提高。镍基铸造制备高温合金材料零部件方式，能够在性能及处理方式上，满足各个领域工业生产对原材料的要求。除此之外，热处理是高温合金生产过程中不可或缺的工艺，能够通过改变合金的微观组织来提升合金的耐热性、抗腐蚀性等性能，在镍基铸造高温合金制备零部件的过程中，热处理工艺地位重要。文章介绍了镍基铸造高温合金的发展历程和热处理技术及其对结构和性能的影响，阐述了镍基铸造高温合金热处理技术的发展现状和趋势。

镍基铸造高温合金是指以镍为主要成分，以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。其具有优异的高温强度、疲劳稳定性和断裂韧性以及良好的耐蠕变稳定性等综合力学性能，可以在高温环境下长期安全运行，广泛地应用于航空航天、汽车行业、燃气轮机领域发动机涡轮叶片、整体叶盘、机匣等高温部件。随着航空发动机技术的发展，对合金材料性能的要求也大幅提高。针对原材料性能提升以及初步处理工作的改善，已经成为我国工业生产中的主要趋势。热处理是镍基铸造高温合金改善性能必要的工艺过程，通过改变铸件内部结构的形貌和分布或改变铸件表面化学成分，可以提高铸件的综合力学性能、消除铸造应力，或提高铸件的耐腐蚀性能。本文主要论述了镍基铸造高温合金及其热处理工艺技术的研究进程，并对其进行了总结和分析，对未来进行展望，为后续的工业生产提供参考。

1 镍基铸造高温合金的发展历程

镍基铸造高温合金是高温合金领域中的重要组成部分，在各类精密铸件生产过程中具有较为突出的优势，其主要原因就是这种材料耐高温、高抗氧化和耐腐蚀性的性能。早期的镍基高温合金主要为变形合金，在20 世纪50 年代后期，随着航空发动机技术的发展，发动机涡轮部件的承温能力要求越来越高，这就对高温合金的强度和使用温度提出了更高的要求。而提升镍基高温合金强度的方法便是提高合金的合金化程度，导致镍基高温合金越来越难以变形甚至不能变形，只能采用铸造工艺生产。另外，随着发动机叶片设计技术的发展，出现了空心气膜孔冷却叶片。这种具有复杂内腔的空心叶片，只能够采用熔模铸造的工艺进行生产。在这种需求下，国内外逐渐发展出了一系列具有良好高温性能的镍基铸造高温合金牌号。

镍基高温合金材料在20 世纪40 年代初期的英国被首次发现，其在喷气式航空领域的应用使很多工业生产商注意到了合金材料性能的重要性。英国于1941 年首先生产出镍基合金Nimonic75 (Ni-20Cr-0.4Ti)，在之后很长一段时间内，美国和苏联等发达国家也先后研制成功类似的合金材料，而中国在20 世纪50 年代后期也相继开发出了一些相同性质的合金材料。

研究镍基铸造高温合金的发展历史就不难发现，它大致有两个方向的研究路径：一是通过对合金成分的调整和组合，研究不同元素添加比对合金性能的影响，进而获取最优的元素和成分比；二是通过对镍基铸造高温合金生产工艺、生产设备的优化和改进，提升合金的制备技术。如20 世纪50 年代初期，科学家们通过大量的实验研究，研发了真空冶炼工艺，这一工艺技术的出现与发展为镍基铸造高温合金的制备提供了技术方面的保障；20 世纪60 年代，发达国家通过研究，提出了熔模精密铸造工艺，生产出了大量具有良好高温性能的铸造合金。在随后的若干年里，又陆续研发出了一些高温性能更好的单晶铸造高温合金。随着航空航天发动机技术的发展，对镍基铸造高温合金也有了更高的要求。所以，从20 世纪50 年代初至90 年代末的40 多年时间里，随着研发能力的不断提升，镍基铸造高温合金的性能和使用温度也越来越高，应用领域也越来越广。

2 镍基铸造高温合金的强化机理及结构特点

2.1 固溶强化

镍基铸造高温合金提升性能的方法之一是固溶强化，它是指将铝、钛、铌、钽等可以与基体形成γ′相的合金元素融入合金中，造成一定的晶格畸变，从而提升合金强度的方法。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。该类型合金具有较优异的抗氧化和抗疲劳特性，最明显的优势就是结构稳定性高，同时有较好的热可塑性。根据上述特点，镍基铸造高温合金可用来制造温度变化较大的金属材料零件，如：航空发动机的风扇叶片、涡轮机匣部件等。

美国Haynes 公司(哈氏合金) 在2005 年研发出了一种优异的镍基变形高温合金Haynes282，该合金的使用温度在649～927 ℃之间，并且通过优化成分以及控制合金中的γ′的含量，使该合金兼具了良好的蠕变强度、热稳定性以及优越的可加工性能和良好的焊接性能，这主要得益于在合金中加入了难熔的各种金属成分，如钨和锰等微量成分。

2.2 沉淀强化

近些年来，研究人员对提高镍基铸造高温合金的强度和性能的方法大多一致，即使是添加材料的不同，也变化不大。在进行提高合金强度和性能的研究过程中，研究人员一般会在合金中加入少许沉淀强化元素，通过热处理工艺过程从合金组织的母相中析出第二相(γ′、γ″、碳化物等)，进而大幅提高合金的强度。镍基铸造高温合金中典型的γ′ 相为Ni3Al 或Ni3Ti。其强化途径有以下两种：一是通过增加合金中Ai、Ti 元素含量进而增加γ′相的数量；二是可以加入Co、W、Mo 等元素来提高γ′ 相的强度。通过一些元素的增加，析出的第二相能够有效抑制金属材料颗粒的发育生长。采用这种强化方式的合金大多用于制作发动机高温部件，如：航空发动机、燃气轮机的涡轮叶片等。

3 镍基铸造高温合金热处理技术发展情况

镍基铸造高温合金热处理，是指对镍基高热合金产品在铸态下，采用加热、保温和淬火的加工方法，以达到预期显微组织结构和力学性能的一类金属材料热加工工艺。研究热处理对合金的微观组成的影响，以探索良好的热处理机制，对改善合金的高温特性具有积极的意义。其中，固溶处理和时效处理是主要的热处理工艺。固溶处理指的是合金显微组织中过剩相充分溶解到基体相中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理可以强化固溶体并提高基体抗腐蚀性能，同时能够消除基体铸造残余应力，一般作为预备热处理，为后续的机械加工和随后的时效处理做准备。时效处理是指在强化相析出的温度区间内加热并保持一段时间，使高温合金的强化相均匀析出，从而提高铸件的强度。近年来，国内研究者也对镍基铸造合金热处理工艺开展了更加广泛和深入的研究。杨贺阳关于新型含有稀土金属的新型镍基单结构高温复合材料，探讨了不同热处理方法对其结构与性质的影响，采用差热分析方法确定复合材料的固相线与液相线温度，采用金相试验法测定该复合材料的初熔温度[1]，最后制定出该复合材料的热处理技术方法。马特等深入研究了各种热处理方法对GH4169 合金力学性能、结构的影响作用，研究结果表明，在固溶处理的温度很低时，金属γ′相会被充分熔化而产生与形状不均的γ′相共存的结构，这样就能够抑制金属晶粒的生长，从而增加了合金的塑性和硬度，在长时间环境温度较低，时效时间较长的情况下，γ′的数量可以有所增加，因此合金的硬度增加，但塑性却减小[2]。王树森等对等温铸造的GH4169G 合金，进行了不同的热加工和蠕变后的机械性能试验，结果表明通过直接时效和一次固溶，二次时效的方法热加工后，合金中的δ 相一般呈现出粒子状或针状。直接时效可降低合金应力集中、延缓裂缝的形成和扩大，而标准热处理则能大大降低奥氏体晶界的结合硬度，从而促进了奥氏体晶界中裂缝的形成和扩大[3]。窦学铮等以Inconel718 镍基合金为主要研究对象，对在各种热处理及加工制度下合金的微观组成、热力学性能和耐蚀性能之间的相互关系开展了深入研究，结果表明伴随固溶温度的升高，合金中δ 相进一步溶解，当固溶温度由室温升至1 020 ℃时，δ 相充分熔化。另外，经固溶处理后的Inconel718 合金抗氧化的能力，略好于经固溶+ 时效处理的合金材料[4]。朱勇等以生产某内燃机排气阀的镍基合金为主要科研目标，探讨了在三个不同的热加工体系(T1：850 ℃×4 h，

AC.+730 ℃×4 h, AC.; T2: 704 ℃×24 h, AC.; T3: 760 ℃×16 h, AC.) 时，对该合金的室内温度动力学的作用问题。实验结果显示：T1 制下合金强韧度最大，达347HV10；T1、T3 制下合金室温的抗拉强度比均超过了1 200 MPa；T2 制下的延展性比最好，超过了三分之一，特别适合于对塑性要求较高的工作环境[5]。冯玥焓等在探讨固溶强化处理时间对镍基高铁合金中Re、Ru 元素分布及其微观形态的影响作用后认为，由于固溶强化处理时间对Re、Ru 元素分布影响明显，当固溶强化时间小于1 h 时，Re、Ru 成分均出现明显偏析现象；当固溶强化时间达到20 h 后，两者的偏析现象明显改善[6]。桂万元等深入研究了固溶处理对某镍基单晶铸造高温合金微观组成和偏析程度的影响，并发现合金铸态组织中具有显著的成份偏析现象，而通过优化热处理制度，提高固溶温度可以有效减少合金成份偏析的情况[7]。

4 镍基铸造高温合金热处理技术最新进展

近些年来，随着镍基铸造高温合金材料在工业生产当中的广泛应用，这一材料的热处理技术水平也不断提升，相关学者将有限元数值模拟方法和热处理工艺进行了有机结合。研究了热处理工艺参数实际应用方面的具体影响，并根据热加工实验数据确立了析出温度，相对于高温合金性能之间的对应关系，并通过实验过程中大量数据和实验结果，分析论证构建了热处理模拟数据库。

近年来，有研究人员开展了高温合金大型舰船用发动机部件热处理工艺技术研究，把有限元数值模拟方法和热处理技术进行了深入融合，对实际制造的工艺技术参数控制、铸件品质管理等方面都具有重要价值。同时，也节约了工艺人员在数据处理、方案设计上需要的时间[8]，促进镍基合金热处理技术向智能化、高效化发展。

随着协同制造理念的发展，热处理工艺的研究人员也逐渐和镍基铸造高温合金研发人员开展合作，将热处理工艺和合金成分设计结合起来，在镍基高温合金研发的初期就开始考虑合金最佳的热处理工艺，使镍基铸造高温合金达到最好的使用性能。

5 结语

综上所述，本文主要针对镍基铸造高温合金发展史及热处理工艺的现状行了探讨，对现阶段中国镍基铸造高温合金热处理技术的发展情况以及发展历史作出了详细的介绍，对发展现状以及具体的研究方向进行了阐述。随着近年来我国工业生产水平的不断提升，相关行业对合金材料性能需求也在大幅提升，作为能够有效改善镍基铸造高温合金特性的金属热处理工艺，其优势明显且无法被其他工艺替代，需要在热处理工艺前沿技术方面开展进一步的探索。

文章来源航空发动机