镍基高温合金的研究现状与发展前景

2014-02-09供稿唐中杰郭铁明付迎惠枝韩昌松TANGZhongjieGUOTiemingFUYingHUIZhiHANChangsong

金属世界 2014年1期

关键词：涡轮合金高温

供稿|唐中杰, 郭铁明,2, 付迎, 惠枝, 韩昌松/ TANG Zhong-jie, GUO Tie-ming,2, FU Ying, HUI Zhi, HAN Chang-song

镍基高温合金的研究现状与发展前景

Research present situation and the development prospect of nickel-based superalloy

供稿|唐中杰1, 郭铁明1,2, 付迎1, 惠枝1, 韩昌松1/ TANG Zhong-jie1, GUO Tie-ming1,2, FU Ying1, HUI Zhi1, HAN Chang-song1

内容导读

航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等关键的高温部件都会使用镍基高温合金。它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。文章综述了镍基高温合金的研究进展，主要介绍了合金体系、强化方式、主要制备工艺、应用领域，以及合金中的夹杂物及净化的情况，并介绍了镍基高温合金的发展趋势做了展望前景。镍基高温合金应向低制作成本、高强度、抗热腐蚀性、小密度的方向发展：保持组织稳定性，提高材料高温强度；发展耐热腐蚀性能优越的单晶合金；开发密度尽量小的单晶高温合金；降低成本，减少昂贵的金属元素添加量。

镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。但是制备镍基合金的过程中会混入夹杂物，严重影响材料的疲劳性能，使结构材料部件的寿命得不到保证，限制了合金的更广泛应用。本文介绍了国内外关于镍基高温合金的研究进展情况，以及合金体系、强化方式、制备方法以及应用领域，同时对合金中的夹杂物及净化的进展情况也做了介绍。

镍基高温合金种类

镍基高温合金按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。镍与其他合金元素可组成不同的体系，其性能也各异，如Ni- Cr系、Ni-Fe-Cr 系、Ni-Cr-Mo 系等。

镍基变形高温合金

镍基变形高温合金以拼音字母“GH” 加序号表示，如GH4169、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合金3类。

镍基合金含有十多种元素，添加合金元素对高温合金的性能起关键的作用。其中铬在镍基变形高温合金中的主要作用为增加抗氧化及耐蚀能力。固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴、钒等元素。时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素，也可加入硼、铈、镁等晶界强化元素，但对合金元素的量都要有定量的控制。近年的基础研究表明[1]：P、Nb含量的适当提高可显著改善GH4169合金的持久蠕变性能，而批量生产的GH4169合金盘锻件的P、Nb含量都较低，P含量约0.003%～0.004%,Nb含量约5.20%，不利于持久蠕变性能的改善。另外，合金元素C、S对合金的持久性能和疲劳性能也有影响，应尽量降低合金中S的含量，C的含量也需控制在一个较低水平。

镍基变形高温合金的组织是以面心立方结构的奥氏体(γ相)为基体，主要的强化相是γ′(面心立方的Ni3(Al，Ti))相，含量达20%～55%。另一类强化相是γ″(体心四方结构且与基体保持共格的Ni3Nb)相，在700℃以下对强化起主要作用，明显提高屈服强度，是涡轮盘材料中的强化相。

变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含γ′相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，因而需采取钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺来加工，也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。

镍基铸造高温合金

铸造高温合金以镍为主要成分，以“K”加序号表示，如K1、K2等。

随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产，因此镍基铸造高温合金在实际生产应用中不可缺少。

镍基铸造高温合金以γ相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成γ′相进行强化，γ′相数量较多，有的合金高达60%；加入钴元素能提高γ′相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ′相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。研究表明[2]：GMR235铸态合金的含碳量为0.18%时,高温持久寿命和抗拉强度最大，且具有较好的塑性，添加硼和锆的合金持久性能明显改善，合金的枝晶间距减少，碳化物的析出量减少且碳化物颗粒细化，从而改善各方面性能。

镍基粉末冶金高温合金

随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。

粉末高温合金的工艺流程大致如下[3]：预合金粉末制造—压实(热压、热等静压、挤压等)—热加工变形(轧制、模锻等)—热处理。对于高γ′沉淀相含量的合金，采用高于溶解温度固溶，然后分两阶段控速缓冷，再进行两次时效热处理，可以在不改变合金成分的前提下有效提高粉末涡轮盘件合金的抗疲劳裂纹扩展能力[4]。粉末高温合金已用于先进型号发动机上的涡轮盘、压气机盘等重要部件上。

强化机理及组织特点

镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基高温合金的强化机理主要有以下三种。

固溶强化

在镍基高温合金中添加的固溶强化元素主要有钨、钼、钴、铬和钒等。固溶强化型合金具有一定的高温强度，良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗冷、热疲劳性能，有良好的高温长期组织稳定性及表面稳定性等优点，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大的部件，如燃气轮机的燃烧室。钨、钼、钴、铬和钒等合金元素的原子半径与镍的半原子径都相近，镍能溶解大量的钨、钼、钴、铬和钒等合金元素而不出现新相。一般固溶温度范围为1040～1230℃。对某些合金，例如Nimonic 80A和Rene41，在1070℃固溶处理可引起晶界碳化物M6C和Cr7C3的析出，这时时效和使用过程中能减缓碳化物反应[3]。

美国开发的固溶强化型镍基变形高温合金Haynes230，在1100℃的高温强度可达135 MPa、延伸率可达85%。它是一种综合性能优良的Ni-Cr-W系高温合金，名义成分为Ni-22Cr-14W-0.5Mn-0.4Si-0.02La，合金中加入了大量的W、Cr等难熔合金化元素以提高基体的强度，同时添加少量的C以形成碳化物来阻碍晶粒长大和强化晶界。但目前国内生产的Haynes230合金在1100℃的高温强度仅为90 MPa左右，目前仍在研究开发中[5]。

沉淀强化

在镍基高温合金中添加的沉淀强化元素主要有铝、钛、铌、钨、钼等，使合金在时效时析出γ′Ni3(Al，Ti))相、γ″(与基体共格的Ni3Nb)相，其硬度高，对高温合金时效硬化起主要作用。同时细小弥散的析出相能阻止晶粒长大，起着细晶强化的作用。除此之外，钨、钼等元素可固溶于奥氏体中起到固溶强化的作用。还添加了微量的硼强化晶界；微量的稀土改善抗氧化腐蚀性能[6]。

由于沉淀强化型合金综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等。此外，镍基合金也可用做航天器、火箭发动机、核反应堆、石油化工和能源转换设备等的高温部件。在现代飞机发动机中，涡轮叶片大都采用镍基合金制造。

氧化物弥散强化(ODS)

传统的高温合金一般采用析出相的沉淀硬化作为其主要的强化手段，但在高温下，析出相会聚集长大或重新固溶于基体中，从而失去强化作用，使高温合金的使用温度被限制。

氧化物弥散强化合金是采用机械合金化的方法，超细的(<50 nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相Y2O3、Al2O3、ThO2等均匀地分散于合金基体中，而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持。氧化物弥散强化使高温合金的工作温度提高100℃至200℃，能够达到基体金属熔点的0.85倍，具有优良的高温蠕变性能和优越的高温抗氧化性能。

Ni 基ODS 高温合金包括两大类[7]，一类是以MA754 为代表的低Al 、Ti 含量的合金，如MA754、MA758 、PM1000 等，不含γ′相，合金的中温强度相对较低；第二类Ni 基ODS 合金增加了γ′相形成元素Al 、Ti 的含量，使合金中γ′相的含量达到60%左右，并加入W、Mo 、Ta 等稳定γ′相元素，使材料的中温强度得到很大改善，Y2O3含量也比第一类Ni 基ODS 合金的高，进一步提高了材料的高温强度。

目前商业化生产的主要有MA956合金，用于航空发动机燃烧室内衬。MA754合金制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。MA6000合金用于航空发动机叶片。

制备方法

镍基合金，特别是沉淀强化型合金含有较多的铝、钛等合金元素。通常采用真空感应炉熔炼，并经真空自耗炉或电渣炉重熔。热加工采用锻造、轧制工艺，对于高合金化合金，由于热塑性差，则采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。铸造合金通常用真空感应炉熔炼母合金，并用真空重熔——精密铸造法制成零件。

国外高温合金大都采用二次熔炼，即母材熔炼和重熔。通过母材熔炼获得要求的化学成分并对合金进行精炼。重熔的目的是为了进一步精炼及控制钢锭的凝固过程，以得到气体、夹杂物含量较低和结晶组织较好的钢锭。目前，一次熔炼最重要的手段是碱性电弧炉和大型真空感应炉，真空感应炉越来越显得重要，非真空感应炉只在一定范围内得到应用，此外，还有等离子炉正在发展过程中[3]。

应用领域

镍基高温合金是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料(如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室等)，也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。

镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。而镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。

其中GH4169 合金在我国航空发动机中已得到广泛应用，其材质水平和加工工艺水平近年来得到显著提高。GH4169 合金的冶金产品有不同规格的锻棒、热轧棒、冷拉棒、板、带、丝、管和锻件，制造的零件有各类盘、转子、环、机匣、轴、紧固件、弹性元件、阻尼元件等。该材料在发动机中的用量已由几个、十几个零件号增加至二百多个，如太行发动机(即涡扇10系列发动机)中应用 GH4169 合金的零件号达261个，零件总质量占核心机质量的60%，占发动机质量的30%以上[8]。显然，GH4169合金制造的最重要的零件就是航空发动机用涡轮盘。在太行发动机中，仅盘件就多达11 种之多。近几年，国产盘锻件的组织性能达到了一个较高的水平，每年生产昆仑发动机(即涡喷14)、太行发动机用盘锻件1000 余件。此外，该合金在大飞机发动机和直升机用涡轴系列发动机中也获得广泛应用[9]。

夹杂与净化

镍基合金在制备过程中会混入或产生一些夹杂物，它会影响到整个合金的性能。对这些夹杂的来源和存在形式进行研究，从而设法将其净化，来提高合金的性能。

以镍基高温合金GH4169为例，虽然 GH4169 合金近年来取得了长足的进步，满足了使用的基本需求，但与国外Inconel 718 合金涡轮盘相比，国产涡轮盘的研制和生产还存在一些问题。

美国Inconel 718 合金的冶炼技术水平很高且稳定，但我国在冶炼GH4169 合金过程中，由于冶炼设备技术状态不稳定、冶炼工艺路线不合理或技术参数控制不精准，有时会产生冶金缺陷黑斑，加大了涡轮盘在使用过程中的潜在危险。据统计，自2005年太行发动机批产以来，已生产盘锻件中出现黑斑缺陷的钢锭占总数的1.8%，而美国近期Inconel718合金中出现黑斑的几率几乎为零。同时，美国Inco-Inconel 718 合金的S、O 含量和其他杂质元素含量比国产料要低。可见GH4169 合金和美国Inconel 718 合金的冶金质量还有一定差距[9]。

GH4169合金中夹杂物的类型主要有三种[10]：①以铝、硅、钙的氧化物为主的陶瓷类夹杂；②以碳、硫等主要化学成分的非金属夹杂；③以金属铌、铬等为主要化学成分的异金属夹杂。

GH4169 合金盘锻件在国内已得到广泛应用，但随着大飞机项目的启动，对GH4169 合金盘锻件提出了更高的要求。为了大幅度延长GH4169 合金盘件的服役寿命，对合金的持久蠕变性能、疲劳性能提出了更高的要求。为提高GH4169 合金综合性能减少夹杂，对GH4169 合金进行冶炼工艺的改进[9]。

GH4169冶炼工艺为真空感应熔炼+真空自耗重熔两联工艺或真空感应熔炼+真空自耗重熔+氩气保护的电渣重熔三联工艺。而目前，国外优质涡轮盘用材要求用真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔三联工艺冶炼[9]。采用这种工艺熔炼可将白斑出现的几率降到最低，也可大幅降低黑斑出现的几率。材料的夹杂物数量明显减少，可显著提高合金的疲劳性能和持久蠕变性能。