鎳基高溫合金的發展綜述

梁爽　劉智鑫　李秋鶴

摘 要：本文簡要介紹了鎳基高溫合金的概況以及合金各元素成分設計的發展，其中難溶元素的比例逐漸增加，但促進了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。本文還探討了未來鎳基高溫合金將向著更強、更輕、更便宜、更耐腐蝕的發展趨勢。

關鍵詞：鎳基高溫合金的發展；Ru；Re；TCP相

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

1 引言

隨著航空航天工業的不斷發展，高溫合金的開發與研究越來越被人們所關注。高溫合金是指能夠在600℃溫度以上條件下可以工作，并可以承受加大應力，有一定耐腐蝕性、抗氧化性等良好高溫性能的合金[1]。高溫合金主要應用在航空航天發動機中，其中渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、燃燒室等部件幾乎由高溫合金制成。按合金基體元素分類，高溫合金主要分為鐵基高溫合金，鈷基高溫合金以及鎳基高溫合金[2]。其中鎳基高溫合金擁有良好的組織結構及蠕變性能，是作為航空發動機的首選材料。

2 鎳基高溫合金概述

鎳基高溫合金在航空航天領域應用比較廣泛，約有40%的高溫合金為鎳基高溫合金。鎳基高溫合金主要成分為Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，基體為鎳元素，含量在60%以上，主要工作溫度段在950℃-1100℃，在此溫度段內服役時，其有較高的強度，較強的抗氧化能力以及抗腐蝕能力。鎳基高溫合金的發展始于英國的80Ni-20Cr合金，人們在其中添加了少量的Ti和Al，發現了強化相，繼而開啟了發展鎳基高溫合金的篇章[3]。60年代初期，人們發現合金的中溫性能較差，葉片在工作中有斷裂情況發生，經研究發現，合金中境界出雜質較多，原子擴散速率較快，晶界成為在鎳基高溫合金服役中易發生裂紋的環節，基于這一問題，人們開始研究定向凝固技術。定向凝固技術就是使合金在生長過程中只沿應力軸方向生長，具有代表性的合金是美國研制的PWA 1422。從此鎳基高溫合金的發展進入到新的時期[4]。但是隨著航空航天也的發展，對合金性能的要求越來越高，縱向晶界仍然是影響其高溫性能的主要病因。為了消除合金中的縱向晶界，選晶法和籽晶法這兩種制備合金方法于20世紀80年代相繼問世，從此鎳基單晶高溫合金開始登上歷史舞臺。到今天為止鎳基單晶高溫合金已經發展到第5代。

3 鎳基單晶高溫合金成分設計發展

隨著鎳基單晶高溫合金的不斷發展，合金的成分有了很大的變化，具體特點如下：

（1）C、B、Hf等元素的添加。由于C、B、Hf等元素有晶界強化的作用，所以在早期的單晶鎳基合金中不添加這些元素，但是在近年的研究中卻發現，這些元素在不同合金中有一些特殊的作用，會在一定程度上提高合金的性能，所以之后發展的一些鎳基單晶高溫合金添加了極少量的C、B、Hf等元素；（2）難溶元素（Mo、W、Re、Ru）成分的不斷增加。第一代鎳基單晶高溫合金的難熔元素含量很少，DD3合金中僅含9%，之后難溶元素的含量不斷增加，第三代鎳基單晶高溫合金中的難溶元素達到了20%以上，到了第5代鎳基單晶高溫合金，難溶元素的含量達到了26.2%。Re元素從第一代的零添加，到第5代添加了6%，Re元素雖然比較昂貴，但對合金的高溫性能有較強的提高作用。Mo、W的含量基本沒有變化，這兩種元素可以起到固溶強化的作用[5]。W、Mo、Re都對鎳基單晶高溫合金的高溫性能有較強的增益作用，但這些元素也會促進TCP相的形成，所以如何在增加難溶元素含量的前提下，抑制TCP相的生成是當代鎳基單晶高溫合金設計的一個課題[6]。Ru元素是今年來進入人們視野的一種稀土元素，Ru元素的加入是當代鎳基單晶高溫合金發展的趨勢，Ru元素雖然也是難溶元素，但是它并不會促進TCP相的生成，反而促進合金成分的均勻化，抑制TCP相的生成；（3）Cr元素含量降低。Cr元素是抗腐蝕元素，研究表明當Cr含量在5%以下時合金的抗腐蝕及抗氧化性能急速下降[7]，但通過實驗人們又發現，CMSX-10合金雖然僅含2.3Cr，但其相關性能并沒有明顯下降，經研究表明[8]，這是Re、Ta元素的添加造成的，這兩種元素也可以抑制元素的擴散速度，提高了組織的穩定性，從而提高了抗腐蝕性能及抗氧化性能。同時，Cr元素可促進TCP相的生成[9]，所以從第二代合金開始，Cr含量大幅度的降低。

4 鎳基高溫合金的發展趨勢

（1）更高的高溫性能。隨著航空航天工業的不斷發展，航空發動機的性能要求越來越高，其所用的高溫材料需要更高的承溫能力，更高的蠕變性能；（2）更好的抗腐蝕性能、抗氧化性能。在合金設計中盡量少添加Cr元素，通過添加難溶元素來提高合金的抗腐蝕性能及抗氧化性能，或者進行表面防護涂層；（3）發展低密度的鎳基高溫合金。由于重量原因，發展低密度高溫合金非常有必要，尤其是葉片，葉片在轉動過程中會產生較大的離心力，重量的增加會增大離心力，增加葉片的負載，從而降低葉片的使用壽命，所以發展低密度的鎳基高溫合金是很有必要的；（4）發展低成本的鎳基高溫合金。隨著鎳基高溫合金的不斷發展，Re元素的含量越來越大，而Re元素在地球上含量較少，價格較昂貴，如何通過Ru元素的添加來提高鎳基單晶高溫合金的性能從而減少甚至不添加Re元素已降低鎳基單晶高溫合金的成本是未來的發展趨勢之一。

參考文獻：

[1]胡壯麒，劉麗榮，金濤等.單晶鎳基高溫合金的發展[J].航空發動機，2005，31（03）：1-7.

[2]徐強，張幸紅，韓杰才等.先進高溫材料的研究現狀和發展[J].固體火箭技術，2002，25（03）：51-55.

[3]張和善.國外航空結構材料發展概況[J].航空制造工程，1997（11）：3-6.

[4]張祖謙，劉志中.渦輪葉片用高溫合金發展中的幾個問題[J].國際航空，1978（04）：43-48.

[5]謝錫善.我國高溫材料的應用與發展[J].機械工程材料，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.

項目名稱：一種含2%Ru的單晶鎳基合金的組織與性能的研究。項目類別：青年項目自然科學。項目編號：QNL201513

作者介紹：梁爽，女，遼寧營口人，博士在讀，實驗師，研究方向：材料學。