镍基高温合金的发展综述

梁爽　刘智鑫　李秋鹤

摘 要：本文简要介绍了镍基高温合金的概况以及合金各元素成分设计的发展，其中难溶元素的比例逐渐增加，但促进了TCP相的生成，添加一定比例的Ru元素有抑制TCP相生成的作用。本文还探讨了未来镍基高温合金将向着更强、更轻、更便宜、更耐腐蚀的发展趋势。

关键词：镍基高温合金的发展；Ru；Re；TCP相

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.031

1 引言

随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发与研究越来越被人们所关注。高温合金是指能够在600℃温度以上条件下可以工作，并可以承受加大应力，有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金[1]。高温合金主要应用在航空航天发动机中，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。按合金基体元素分类，高温合金主要分为铁基高温合金，钴基高温合金以及镍基高温合金[2]。其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能，是作为航空发动机的首选材料。

2 镍基高温合金概述

镍基高温合金在航空航天领域应用比较广泛，约有40%的高温合金为镍基高温合金。镍基高温合金主要成分为Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，基体为镍元素，含量在60%以上，主要工作温度段在950℃-1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。镍基高温合金的发展始于英国的80Ni-20Cr合金，人们在其中添加了少量的Ti和Al，发现了强化相，继而开启了发展镍基高温合金的篇章[3]。60年代初期，人们发现合金的中温性能较差，叶片在工作中有断裂情况发生，经研究发现，合金中境界出杂质较多，原子扩散速率较快，晶界成为在镍基高温合金服役中易发生裂纹的环节，基于这一问题，人们开始研究定向凝固技术。定向凝固技术就是使合金在生长过程中只沿应力轴方向生长，具有代表性的合金是美国研制的PWA 1422。从此镍基高温合金的发展进入到新的时期[4]。但是随着航空航天也的发展，对合金性能的要求越来越高，纵向晶界仍然是影响其高温性能的主要病因。为了消除合金中的纵向晶界，选晶法和籽晶法这两种制备合金方法于20世纪80年代相继问世，从此镍基单晶高温合金开始登上历史舞台。到今天为止镍基单晶高温合金已经发展到第5代。

3 镍基单晶高温合金成分设计发展

随着镍基单晶高温合金的不断发展，合金的成分有了很大的变化，具体特点如下：

（1）C、B、Hf等元素的添加。由于C、B、Hf等元素有晶界强化的作用，所以在早期的单晶镍基合金中不添加这些元素，但是在近年的研究中却发现，这些元素在不同合金中有一些特殊的作用，会在一定程度上提高合金的性能，所以之后发展的一些镍基单晶高温合金添加了极少量的C、B、Hf等元素；（2）难溶元素（Mo、W、Re、Ru）成分的不断增加。第一代镍基单晶高温合金的难熔元素含量很少，DD3合金中仅含9%，之后难溶元素的含量不断增加，第三代镍基单晶高温合金中的难溶元素达到了20%以上，到了第5代镍基单晶高温合金，难溶元素的含量达到了26.2%。Re元素从第一代的零添加，到第5代添加了6%，Re元素虽然比较昂贵，但对合金的高温性能有较强的提高作用。Mo、W的含量基本没有变化，这两种元素可以起到固溶强化的作用[5]。W、Mo、Re都对镍基单晶高温合金的高温性能有较强的增益作用，但这些元素也会促进TCP相的形成，所以如何在增加难溶元素含量的前提下，抑制TCP相的生成是当代镍基单晶高温合金设计的一个课题[6]。Ru元素是今年来进入人们视野的一种稀土元素，Ru元素的加入是当代镍基单晶高温合金发展的趋势，Ru元素虽然也是难溶元素，但是它并不会促进TCP相的生成，反而促进合金成分的均匀化，抑制TCP相的生成；（3）Cr元素含量降低。Cr元素是抗腐蚀元素，研究表明当Cr含量在5%以下时合金的抗腐蚀及抗氧化性能急速下降[7]，但通过实验人们又发现，CMSX-10合金虽然仅含2.3Cr，但其相关性能并没有明显下降，经研究表明[8]，这是Re、Ta元素的添加造成的，这两种元素也可以抑制元素的扩散速度，提高了组织的稳定性，从而提高了抗腐蚀性能及抗氧化性能。同时，Cr元素可促进TCP相的生成[9]，所以从第二代合金开始，Cr含量大幅度的降低。

4 镍基高温合金的发展趋势

（1）更高的高温性能。随着航空航天工业的不断发展，航空发动机的性能要求越来越高，其所用的高温材料需要更高的承温能力，更高的蠕变性能；（2）更好的抗腐蚀性能、抗氧化性能。在合金设计中尽量少添加Cr元素，通过添加难溶元素来提高合金的抗腐蚀性能及抗氧化性能，或者进行表面防护涂层；（3）发展低密度的镍基高温合金。由于重量原因，发展低密度高温合金非常有必要，尤其是叶片，叶片在转动过程中会产生较大的离心力，重量的增加会增大离心力，增加叶片的负载，从而降低叶片的使用寿命，所以发展低密度的镍基高温合金是很有必要的；（4）发展低成本的镍基高温合金。随着镍基高温合金的不断发展，Re元素的含量越来越大，而Re元素在地球上含量较少，价格较昂贵，如何通过Ru元素的添加来提高镍基单晶高温合金的性能从而减少甚至不添加Re元素已降低镍基单晶高温合金的成本是未来的发展趋势之一。

参考文献：

[1]胡壮麒，刘丽荣，金涛等.单晶镍基高温合金的发展[J].航空发动机，2005，31（03）：1-7.

[2]徐强，张幸红，韩杰才等.先进高温材料的研究现状和发展[J].固体火箭技术，2002，25（03）：51-55.

[3]张和善.国外航空结构材料发展概况[J].航空制造工程，1997（11）：3-6.

[4]张祖谦，刘志中.涡轮叶片用高温合金发展中的几个问题[J].国际航空，1978（04）：43-48.

[5]谢锡善.我国高温材料的应用与发展[J].机械工程材料，2004，28（01）：2-11.

[6]Sherby O D， Taleff E M. Influence of grain solute atoms and second-phase particle on creep behavior of polycrystalline solids. Materials and Engineering， 2002， A322： 89-99.

[7]Karunaratne M S A， Cox D C， Carter P， et al. Modeling ofthe microsegregation in CMSX-4 superalloy and its homogenization during heat treatment. In： Pollock T M eds. Superalloys 2000. Pennsylvania： Warrendale， 2000. 263-272.

[8]Carry C， Strudel J L. Apparent and effective creep parameter in single crystals of a nickel-base superalloy incubation period. Acta Metal， 1994， 41（9）： 767-777

[9]Lall C， Chin S， Pope D. The orientation and temperature dependence of the yield stress of Ni3（Al，Nb） single crystals. Metal Trans， 1979， A（10）： 1323-1331.

项目名称：一种含2%Ru的单晶镍基合金的组织与性能的研究。项目类别：青年项目自然科学。项目编号：QNL201513

作者介绍：梁爽，女，辽宁营口人，博士在读，实验师，研究方向：材料学。