鎳棒鎳板等鎳基高溫合金熱處理工藝發展概述

鎳基高溫合金是我國產量最大、使用量最大的一種高溫合金叫其是以鎳為基體(含量一般大于50%), 在 650-1000℃的溫度范圍內具有優異的抗熱腐蝕性能、高溫抗氧化能力，良好的疲勞性能和斷裂韌性以及優異的抗蠕變性能陰，能夠在高溫條件下長時間穩定工作，現已成為航空航天、運輸、航海及核電工業領域不可替代的重要材料 , 被廣泛應用于渦輪盤、燃氣輪機等重要零部件的制造囪隨著國內裝備制造業產業化結構的轉型升級,其對鎳基高溫合金的性能要求也在不斷提高 。 熱處理工藝作為提高合金韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，提高強度有利手段之一，已成為鎳基高溫合金不可或缺的重要工序叫因此,本文對鎳基高溫合金熱處理工藝研究現狀進行了總結 , 并對目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進展情況進行了介紹 。 希望能夠為讀者進一步了解鎳基高溫合金熱處理工藝提供參考 。

1、鎳基高溫合金熱處理工藝研究現狀

如圖 1 所示，鎳基高溫合金熱處理工藝是指鎳基高溫合金材料在固態下 , 通過加熱、保溫和冷卻的方式 , 以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝，探究熱處理工藝對合金的微觀組織的影響 ，尋求最佳的熱處理制度，對提高合金的高溫性能有著積極的意義 。

圖 1 鎳基高溫合金熱處理工藝示意圖

其中,時效處理與固溶處理作為兩種主要的鎳基高溫合金熱處理方式 , 近年來，國內外學者對其進行了較為深入、系統的研究 。 南京汽輪機廠王增友等問根據對 GH145 合金零件性能的要求，采用了 1135±10 ℃×2h微量風冷固溶處理 ，845±10℃×24h時效，爐冷至 720±10%℃×24h 時效后空冷 。 通過這種一次固溶、兩段時效的方法,獲得了較為滿意的綜合力學性能及持久性能 。 中科院金屬研究所寧禮奎等切針對一種含 Re 的新型鎳基單晶高溫合金，研究了不同熱處理對其組織和性能的影響 。 通過差熱分析法確定合金的固相線和液相線溫度，由金相測試法測出該材料的初熔溫度,最終確定了該合金最佳熱處理制度 。 寧夏大學李維銀等在研究一種基于 Nimonic263合金基礎上開發的新型鎳基高溫合金長期時效后的組織穩定性及高溫性能時發現，合金長期時效過程中，析出相的種類和硬化相γ'相是合金組織穩定性的量度， 同時,γ'相的析出及粗化是影響高溫合金在長期時效過程中力學性能的主要原因之一 。 冶金工業部鋼鐵研究總院龍正東等冏研究了不同熱處理制度對GH4169 合金力學性能、組織的影響，研究發現，當固溶處理的溫度較低時,γ'相會不完全溶解并形成大小不均的 V 相共存的組織，從而可以阻止晶粒的長大，提高合金的塑性和強度 。 而時效溫度較低，時效時間較長時，γ'相含量能夠得到提高，從而合金的強度提高 , 塑性降低 。 太原理工大學林萬明等CT究了 750T~1050℃下長期高溫時效對 Ni3Al 基高溫合金沉淀強化的影響，結果表明,在不同溫度時效處理一定時間后，在鎳基高溫合金中 V 相呈球形分散在 7 基體上;時效溫度越高 , γ'相越粗化 , 鎳基合金的拉伸塑性越高，屈服強度越低 ; 時效時間越長,合金的屈服強度越高，但當時效時長大于1000h時，屈服強度逐漸降低 。 沈陽工業大學田素貴等回對等溫鍛造 GH4169G 合金進行了不同條件熱處理和蠕變性能測試，發現經過宜接時效和一次固溶，兩次時效的標準熱處理后，合金中的 δ相都呈現出顆粒狀或針狀 。 直接時效可減緩合金應力集中、延遲裂紋的萌生與擴展 ; 而標準熱處理可削弱晶界的結合強度，并促使晶界處裂紋的萌生與擴展 。 中國石油大學宋宜四等問以 Inconel718 鎳基合金為研究對象，對不同熱處理制度下合金的微觀組織、力學性能及耐蝕性能之間的關系進行了研究，發現隨固溶溫度的升高,合金中δ相不斷溶解，當固溶溫度升至 1020℃時 ,δ相完全溶解 。 同時，合金的硬度隨固溶溫度的升高而降低，時效后的硬度與前期固溶處理溫度密切相關，呈現出隨固溶溫度升高，時效后合金的硬度值先升高后降低的趨勢 。 此外，經固溶處理的 Inconel718 合金耐腐蝕性略優于經固溶 + 時效處理的合金材料 。 江蘇科技大學朱治愿等問以某內燃機排氣閥用鎳基合金為研究對象，研究了三種不同熱處理制度 ( T1： 850℃×4h , AC. +730℃×4h,AC.,T2:704℃×24h , AC. , T3:760℃×16h , AC. ) 下，該合金的室溫力學性能變化情況 。 研究結果表明, T1制度下合金硬度最高，為 347HV10, T1、T3 制度下合金室溫抗拉強度均大于1200 MPa, T2 制度下延伸率最佳，大于 30%, 適用于塑性要求高的工況 。 北京工業大學李憲等 在研究固溶處理時間對鎳基高溫合金中Re、Ru 元素分布和微觀形貌的影響時發現個溶處理時長對 Re、Ru 元素分布影響顯著，當固溶時長為1h 時, Re、Ru 元素均存在明顯偏析 ; 當固溶時長為20h時，兩者偏析情況明顯改善 。 此外，固溶處理時長由1h 延長至 20h 后，合金中γ'相形貌更規則，立方度更好 。 浙江大學趙新寶等問研究了固溶處理對某鎳基單晶高溫合金微觀組織和偏析的影響 ，發現合金鑄態組織中存在明顯的成分偏析，而提高最高固溶溫度可有效降低合金的成分偏析，同時能夠一定程度增大時效處理后的γ'相尺寸 。

圖 2 熱處理專家系統操作界面

2、 鎳基高溫合金熱處理工藝最新進展

重慶大學權國政等人將有限元數值模擬與熱處理工藝相結合，深入研究了熱處理工藝參數對Ni80A 高溫合金大型船用柴油機氣閥力學性能的影響，基于Ni80A 熱處理試驗結果，建立了析出相與合金硬度的對應關系，進一步基于大量數值模擬分析結果建立了熱處理專家系統 。 圖 2 為該熱處理專家系統操作界面，其主要包括氣閥件熱處理實驗結果查詢、氣閥件熱處理有限元模擬結果查詢、熱處理參數與評價指標、析出相體積分數及硬度預測 4 個方面，圖中區域 1 為氣閥件熱處理實驗結果查詢模塊,區域 2 為新氣閥件熱處理有限元模擬結果查詢模塊，區域 3 為熱處理參數與評價指標模塊，區域 4 為析出相體積分數及硬度預測模塊 。

研究熱處理工藝參數對 Ni80A 高溫合金大型船用柴油機氣閥力學性能的影響，將有限元數值模擬與熱處理工藝進行深入結合，對實際生產中工藝參數調控、工件質量控制都有著重要意義 。 同時，在很大程度上節省了工程技術人員在數據管理、方案設計方面花費的時間，可以為鎳基合金熱處理工藝向自動化、高效化發展起到推動作用。

3、結語

本文主要對鎳基高溫合金熱處理工藝研究現狀進行了總結，并對目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進展情況進行了介紹 。 目前，隨著國內制造業產業化結構的轉型升級，其對鎳基高溫合金的性能要求也在不斷提高，作為提高鎳基高溫合金性能的熱處理工藝也在不斷發展 , 其發展趨勢如下 ：

(1) 將熱處理工藝與鎳基高溫合金工件制造過程中其他工藝相結合，提高各工藝間的匹配度，以使合金材料的各方面性能狀態得到提高 。

( 2 ) 目前對鎳基高溫合金固溶處理與時效處理方面進行的研究較多，其他方面的鎳基高溫合金熱處理工藝少有較為深入、系統的研究，需要進行更多相關研究 。

( 3 ) 進行鎳基合金在服役和熱處理過程中相轉變機制的相關研究對提高對合金的認識，改善合金性能有著巨大幫助,需要進行更加深入的研究 

(4) 計算機數值模擬作為有效的工藝設計輔助手段，可以與熱處理工藝相結合 , 為制訂熱處理工藝和開發新型熱處理技術提供科學依據 。 與傳統試驗相比,它具有成本低、靈活高效的優勢 。 但是，目前受制于技術的限制，熱處理數值模擬的準確度有限，只能起到輔助指導的作用，有待相關學者進行長期、深入的研究 。

(5) 一些新型熱處理工藝具有其特有的優勢，能夠有效提高合金的綜合性能，未來在鎳基合金熱處理方面的應用將會越來越廣泛 。

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