鎳基高溫合金是我國(guó)產(chǎn)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(nèi)具有優(yōu)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(yōu)異的抗蠕變性能陰，能夠在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，現(xiàn)已成為航空航天、運(yùn)輸、航海及核電工業(yè)領(lǐng)域不可替代的重要材料 , 被廣泛應(yīng)用于渦輪盤、燃?xì)廨啓C(jī)等重要零部件的制造囪隨著國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí),其對(duì)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(yīng)力與軟化，提高強(qiáng)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(duì)鎳基高溫合金熱處理工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié) , 并對(duì)目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進(jìn)展情況進(jìn)行了介紹 。 希望能夠?yàn)樽x者進(jìn)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(xiàn)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(tài)下 , 通過(guò)加熱、保溫和冷卻的方式 , 以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝，探究熱處理工藝對(duì)合金的微觀組織的影響 ，尋求最佳的熱處理制度，對(duì)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(shí)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(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了較為深入、系統(tǒng)的研究 。 南京汽輪機(jī)廠王增友等問(wèn)根據(jù)對(duì) GH145 合金零件性能的要求，采用了 1135±10 ℃×2h微量風(fēng)冷固溶處理 ，845±10℃×24h時(shí)效，爐冷至 720±10%℃×24h 時(shí)效后空冷 。 通過(guò)這種一次固溶、兩段時(shí)效的方法,獲得了較為滿意的綜合力學(xué)性能及持久性能 。 中科院金屬研究所寧禮奎等切針對(duì)一種含 Re 的新型鎳基單晶高溫合金，研究了不同熱處理對(duì)其組織和性能的影響 。 通過(guò)差熱分析法確定合金的固相線和液相線溫度，由金相測(cè)試法測(cè)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(xué)李維銀等在研究一種基于 Nimonic263合金基礎(chǔ)上開發(fā)的新型鎳基高溫合金長(zhǎng)期時(shí)效后的組織穩(wěn)定性及高溫性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，合金長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中，析出相的種類和硬化相γ'相是合金組織穩(wěn)定性的量度， 同時(shí),γ'相的析出及粗化是影響高溫合金在長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中力學(xué)性能的主要原因之一 。 冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院龍正東等冏研究了不同熱處理制度對(duì)GH4169 合金力學(xué)性能、組織的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶處理的溫度較低時(shí),γ'相會(huì)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(zhǎng)大，提高合金的塑性和強(qiáng)度 。 而時(shí)效溫度較低，時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，γ'相含量能夠得到提高，從而合金的強(qiáng)度提高 , 塑性降低 。 太原理工大學(xué)林萬(wàn)明等CT究了 750T~1050℃下長(zhǎng)期高溫時(shí)效對(duì) Ni3Al 基高溫合金沉淀強(qiáng)化的影響，結(jié)果表明,在不同溫度時(shí)效處理一定時(shí)間后，在鎳基高溫合金中 V 相呈球形分散在 7 基體上;時(shí)效溫度越高 , γ'相越粗化 , 鎳基合金的拉伸塑性越高，屈服強(qiáng)度越低 ; 時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng),合金的屈服強(qiáng)度越高，但當(dāng)時(shí)效時(shí)長(zhǎng)大于1000h時(shí)，屈服強(qiáng)度逐漸降低 。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)田素貴等回對(duì)等溫鍛造 GH4169G 合金進(jìn)行了不同條件熱處理和蠕變性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)宜接時(shí)效和一次固溶，兩次時(shí)效的標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，合金中的 δ相都呈現(xiàn)出顆粒狀或針狀 。 直接時(shí)效可減緩合金應(yīng)力集中、延遲裂紋的萌生與擴(kuò)展 ; 而標(biāo)準(zhǔn)熱處理可削弱晶界的結(jié)合強(qiáng)度，并促使晶界處裂紋的萌生與擴(kuò)展 。 中國(guó)石油大學(xué)宋宜四等問(wèn)以 Inconel718 鎳基合金為研究對(duì)象，對(duì)不同熱處理制度下合金的微觀組織、力學(xué)性能及耐蝕性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨固溶溫度的升高,合金中δ相不斷溶解，當(dāng)固溶溫度升至 1020℃時(shí) ,δ相完全溶解 。 同時(shí)，合金的硬度隨固溶溫度的升高而降低，時(shí)效后的硬度與前期固溶處理溫度密切相關(guān)，呈現(xiàn)出隨固溶溫度升高，時(shí)效后合金的硬度值先升高后降低的趨勢(shì) 。 此外，經(jīng)固溶處理的 Inconel718 合金耐腐蝕性略優(yōu)于經(jīng)固溶 + 時(shí)效處理的合金材料 。 江蘇科技大學(xué)朱治愿等問(wèn)以某內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鎳基合金為研究對(duì)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(xué)性能變化情況 。 研究結(jié)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(qiáng)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(yè)大學(xué)李憲等 在研究固溶處理時(shí)間對(duì)鎳基高溫合金中Re、Ru 元素分布和微觀形貌的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)溶處理時(shí)長(zhǎng)對(duì) Re、Ru 元素分布影響顯著，當(dāng)固溶時(shí)長(zhǎng)為1h 時(shí), Re、Ru 元素均存在明顯偏析 ; 當(dāng)固溶時(shí)長(zhǎng)為20h時(shí)，兩者偏析情況明顯改善 。 此外，固溶處理時(shí)長(zhǎng)由1h 延長(zhǎng)至 20h 后，合金中γ'相形貌更規(guī)則，立方度更好 。 浙江大學(xué)趙新寶等問(wèn)研究了固溶處理對(duì)某鎳基單晶高溫合金微觀組織和偏析的影響 ，發(fā)現(xiàn)合金鑄態(tài)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(shí)能夠一定程度增大時(shí)效處理后的γ'相尺寸 。

圖 2 熱處理專家系統(tǒng)操作界面

2、 鎳基高溫合金熱處理工藝最新進(jìn)展

重慶大學(xué)權(quán)國(guó)政等人將有限元數(shù)值模擬與熱處理工藝相結(jié)合，深入研究了熱處理工藝參數(shù)對(duì)Ni80A 高溫合金大型船用柴油機(jī)氣閥力學(xué)性能的影響，基于Ni80A 熱處理試驗(yàn)結(jié)果，建立了析出相與合金硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步基于大量數(shù)值模擬分析結(jié)果建立了熱處理專家系統(tǒng) 。 圖 2 為該熱處理專家系統(tǒng)操作界面，其主要包括氣閥件熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢、氣閥件熱處理有限元模擬結(jié)果查詢、熱處理參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)、析出相體積分?jǐn)?shù)及硬度預(yù)測(cè) 4 個(gè)方面，圖中區(qū)域 1 為氣閥件熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢模塊,區(qū)域 2 為新氣閥件熱處理有限元模擬結(jié)果查詢模塊，區(qū)域 3 為熱處理參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)模塊，區(qū)域 4 為析出相體積分?jǐn)?shù)及硬度預(yù)測(cè)模塊 。

研究熱處理工藝參數(shù)對(duì) Ni80A 高溫合金大型船用柴油機(jī)氣閥力學(xué)性能的影響，將有限元數(shù)值模擬與熱處理工藝進(jìn)行深入結(jié)合，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)調(diào)控、工件質(zhì)量控制都有著重要意義 。 同時(shí)，在很大程度上節(jié)省了工程技術(shù)人員在數(shù)據(jù)管理、方案設(shè)計(jì)方面花費(fèi)的時(shí)間，可以為鎳基合金熱處理工藝向自動(dòng)化、高效化發(fā)展起到推動(dòng)作用。

3、結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)鎳基高溫合金熱處理工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前鎳基高溫合金熱處理工藝的最新進(jìn)展情況進(jìn)行了介紹 。 目前，隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，其對(duì)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(fā)展 , 其發(fā)展趨勢(shì)如下 ：

(1) 將熱處理工藝與鎳基高溫合金工件制造過(guò)程中其他工藝相結(jié)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(tài)得到提高 。

( 2 ) 目前對(duì)鎳基高溫合金固溶處理與時(shí)效處理方面進(jìn)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(tǒng)的研究，需要進(jìn)行更多相關(guān)研究 。

( 3 ) 進(jìn)行鎳基合金在服役和熱處理過(guò)程中相轉(zhuǎn)變機(jī)制的相關(guān)研究對(duì)提高對(duì)合金的認(rèn)識(shí)，改善合金性能有著巨大幫助,需要進(jìn)行更加深入的研究 

(4) 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬作為有效的工藝設(shè)計(jì)輔助手段，可以與熱處理工藝相結(jié)合 , 為制訂熱處理工藝和開發(fā)新型熱處理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù) 。 與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比,它具有成本低、靈活高效的優(yōu)勢(shì) 。 但是，目前受制于技術(shù)的限制，熱處理數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度有限，只能起到輔助指導(dǎo)的作用，有待相關(guān)學(xué)者進(jìn)行長(zhǎng)期、深入的研究 。

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

參考文獻(xiàn) ：

[1] 吳明陽(yáng)，王博,程耀楠，等.高溫合金材料特性及加工技術(shù)進(jìn)展[J]. 哈爾濱理工大學(xué)報(bào) ,2015, 20(6):24-31.

[2] 郭建亭.高溫合金材料學(xué) [M]. 北京:科學(xué)出版社 ,2008.

[3] 陳國(guó)良.高溫合金學(xué) [M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1988.

[4] FURRER D, FECHT H. Ni — based superalloys for turbine discs[J].Joumal of Metals, 1999,51(1):14-17.

[5] Duhl D N.Superalloys U [M].New York:Wiley and Sons Press,1987.

[6] 王增友，朱永惺 .GH145 鎳基高溫合金的熱處理工藝探討 [J]. 江蘇機(jī)械 ,1987( 1):27 - 31.

[7] 管秀榮，鄭志,劉恩澤，等?一種新型高溫合金的固溶處理?xiàng)l件與高溫時(shí)效的研究 [J]. 熱加工工藝 ,2009,38( 12):145 - 146+14 &

[8] 李維銀，劉紅飛，王婷，等?新型鎳基高溫合金長(zhǎng)期時(shí)效后的組織穩(wěn)定性及高溫性能[幾機(jī)械工程材料 ,2008(7):64-67.

[9] 龍正東，鄧群，林平，等?熱處理對(duì) GH742 合金組織和力學(xué)性能的影響[幾材料工程 ,1999(3):41-44.

[10] 林萬(wàn)明，段劍鋒,王春龍，等.高溫時(shí)效對(duì)高溫鎳基合金沉淀強(qiáng)化的影響[耳金屬熱處理 ,2008,33( 12):66-6 &

[11] 田素貴，王 欣，劉 臣，等?熱處理制度對(duì) GH4169G 合金微觀組織與蠕變性能的影響 [J]. 中國(guó)有色金屬報(bào) ,2013,23(1):108-115.

[12] 宋宜四，高萬(wàn)夫，王 超，等熱處理工藝對(duì) Inconel718 合金組織、力學(xué)性能及耐蝕性能的影響 [J]. 材料工程 ,2012(6):3742

[13] 朱治愿，蔡遠(yuǎn)飛，隋毅，等.內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鎳基高溫合金熱處理工藝研究[幾江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 ),2017,31(6):740-745.

[14] 李憲，張曉娜,于瀟翔，等?固溶時(shí)間對(duì)鎳基單晶高溫合金中 Re,Ru 元素分布和微觀形貌的影響口電子顯微學(xué)報(bào) ,2014,33(4) ：318-323.

[15] 趙新寶，岳亮,夏萬(wàn)順，等.固溶處理對(duì)一種第四代鎳基單晶高溫合金微觀組織和偏析的影響 [J]. 電子顯微學(xué)報(bào) ,2020,39(5):462-469.