高温合金的性能

高温合金是在高温下具有较高力学性能、抗氧化和抗热腐蚀性能的合金。高温合金按基体成分可分为镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金，其中镍基高温合金发展最快，使用也最广，铁镍基高温合金次之。按强化方式分为固溶强化合金和析出强化合金（或称时效沉淀强化合金）等。按成型方式和生产工艺分为变形合金、铸造合金、粉末冶金合金和机械合金化合金。

固溶强化高温合金的基体为面心立方点阵的固溶体，在其固溶度范围内通过添加铬、钴、钼、钨、铌等元素，提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，提高再结晶温度来强化固溶体。固溶强化的效果取决于合金化元素的原子尺寸及加入量。原子半径较大、熔点较高的钼和钨具有较好固溶强化作用，两者总含量可达18%~20%。铬可防止高温氧化和热腐蚀，但含量过高会降低γ’相的固溶度，使合金的热强性下降。镍基固溶强化高温合金一般均具有优良的抗氧化、抗热腐蚀性能，塑性较高、焊接性能好，但热性相对较低。铁镍基固溶强化高温合金，虽然与镍基固熔强化高温合金相比在热强性、抗氧化和抗热腐蚀等方面略差一些，但仍具有良好的力学性能、较好冷热加工工艺性能和焊接性能。 析出强化高温合金是在固溶强化高温合金的基础上，通过添加较多的铝、钛、铌等元素而发展的。这些无元素除了强化固溶体外，通过时效处理，与镍结合形成共格稳定、成分复杂的Ni3(Al Ti)相(也就是γ’相，具有长程有序的面心立方结构)或Ni3(Nb AI Ti)相（也就是γ’’相，有序体心四方结构）金属间化合物，同时钨、钼、铬等元素与碳形成各种碳化物（如MC M6C M23C6等）由于γ’(γ’’)相和碳化物存在，使合金的热强性大大提高。此外，这类合金中还可以加入微量的硼、锆和稀士元素、形成间隙相，强化晶界。近年来发展的一些合金，往往采用固溶，析出和晶界多种方式强化，使合金具有优良的综合性能。随着AI Ti Nb 等γ’(γ’’)相形成元素含量的提高，其强化效果也增大，热强性提高，但合金的冷热加工性能和焊接性能随之下降。一般认为，AI+Ti含量大于6%（原子百分数）的高温合金焊接就很困难。镍基析出强化高温合金具有很好的热强性、抗氧化和抗腐蚀性能，正如前面所提到的冷热加工性能和焊接性能较固溶强化高温合金差。但是，在固溶状态下，有些镍基析出强化高温合金还是具有良好塑性和焊接性。铁镍基析出强化高温合金要中温下具有较高的热强性、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能。在固溶状态下，冷热加工性能和焊接性能同镍

基析出强化高温合金相类似。无论镍基析出强化高温合金还是铁镍基析出强化高温合金，当加入更多的钼、钛、硼等强化元素时，使其冷热加工塑性下降，只能通过铸造成型，一般铸造合金的焊接较为困难。

氧化物弥散强化是在基体中加入一定量细小的弥散分布的氧化颗粒，对基体进行强化，使合金具有很高的强度和某些特性。合金TDNi TDNiCr是镍和镍铬基中加入2%左右氧化钍（ThO2）颗粒强化，由于这种合金中的氧化钍在高温下不易聚集长大、不溶于基体，同时合金的熔点高，晶粒极细，在1000~12000C下仍有较高的强度，抗疲劳性能高，缺口敏感小，室温塑性较好，可轧成棒和板材。氧化物弥散强化ODS合金是利用氧化物（如 Y2 O3和AI2O3）强化的合金，这类合金的采用特殊的粉末冶金工艺生产，经锻压制成材。氧化物弥散强化合金，具有很高的持久蠕变性能，是很有发展前途的新型高温材料，其缺点是成功率低，塑性 焊接性和耐蚀性差，有待解决。

高温合金性能主要取决于合金成分和它的组织结构，如前面所述，难熔金属元素Mo W以及CO起到固溶强化作用，AI Ti Nb 等γ’形成元素起到析出强化作用。一般认为，强化效果应该计算W+MO和γ’形成元素的总量，而CO和Cr居于次要地位，合金的持久强度随着合金元素总量的增加而提高。现在大量研究表明，高温合金中加入微量的B Zr Ce 和Mg等元素能显著改善晶界状况，提高合金的蠕变性能，但要注意这些元素的加入量一定要严格控制，否则就会产生有害的作用，如使合金脆化，形成低熔化合物等。

高温合金组织中，特别重要的是析出相类型、结构、形状、大小、数量和分布情况，它们直接影响温合金性能，如前面已经介绍了γ’相和γ’’相的强化作用， 高温合金组织中，特别重要的是析出相的类型、结构、形状、大小、数量和分布情况，他们直接影响高温合金的性能，如前面已经介绍了γ’相和γ’’相的强化作用。碳化物也是高温合金重要的一种强化相，常见的碳化物有MC、M23C6、M7C3、M6C等，所有这些碳化物都可以通过热处理进行调节和控制。虽然某些元素倾向于形成一种或多种碳化物，如Cr易形成Cr23C6和Cr7C2，仅有少量的形成M6C和MC；Ti则优先形成TiC；W和Mo是优先形成 M6C。在析出相中，有一类叫拓扑密排相（TCP相），如σ相、μ相、laves相等，TCP相的特征是原子在晶格中为密排层沿面心立方体γ基体的八面体平面排列。σ相的组成一般是（Cr、Mo）x（Ni、Co）y，x、y值为1～7，Fe、Co、Cr、W、Mo等元素促进σ相形成。μ相是B7A8型，在 W、Mo、Nb等含量较高的高温合金中形成，铁镍基合金比镍基合金更易形成。Laves相的组成为AB7，“A”主要为W、Mo、Nb、Ti等元素， “B”则主要为Cr、Co、Ni、Fe等元素，在含碳量较低且Mo、W、Ti、Nb等元素含量较高时，易出现leaves相。σ相、μ相、laves相等对高温合金是有害的，降低合金的塑性或强度，必须加以适当控制。

变形高温合金是目前应用最广泛的高温合金，它们冷加工性能好，焊接性能良好，综合力学性能优良。相对来说，强化元素含量较涤，特别是析出相形成元素的含 量受到限制，高温性能（如高温强度）也受到限制。

铸造高温合金多数是只能通过铸造成型而不易进行冷热加工变形的合金。随着高温合金工作温度和强度要求的不断提高，合金的强化元素含量不断增加，成分越来越复杂，高温合金已不能进行冷热成型加工，只能通过铸造成型，这就出现了许多类专门用于铸造成型的铸造高温合金。

粉末高温合金是采用粉末冶金工艺生产和高温合金，高温合金进行冷热加工困难，合金铸态的偏析又严重导致了显微组织的不均匀和力学性能各向异性等，粉末高温合金由于大大改善了合金的热加工性能，即最强的铸造合金（如Mar-M246）也能通过粉末冶金工业艺变成变形高温合金材料，从某种意义上来说，粉末冶金消除了目前的变形合金和铸造合金的界线。粉末高温合金现在还不能焊接。粉末高温合金的工艺流程大致如下：预合金粉末制造-压（热压 热等静压 挤压等）-热加工变形（模锻 轧制等）-热处理。