鎳基變形高溫合金

鎳基變形高溫合金指以鎳為基體，含一定量高溫強化元素，在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。分為固溶強化型和析出強化型兩類。

中文名稱

鎳基變形高溫合金

英文名稱

nickel based wrought superalloy

定　　義

以鎳為基體，含一定量高溫強化元素，在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。分為固溶強化型和析出強化型兩類。

應(yīng)用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），金屬材料（二級學科），特殊用途金屬材料（三級學科），高溫合金（四級學科）

主要用來生產(chǎn)各種板材，尤其是冷軋薄板，因此也常稱之為鎳基板材高溫合金。除了板材以外，還可制成棒材、餅材以及冷拔絲材等，廣泛用于燃燒室、機匣、隔熱板、調(diào)節(jié)片和其他高溫部件，是一類重要的鎳基變形高溫合金材料。中國常用的固溶強化鎳基變形高溫合金列于表中。

GH3030合金是中國試制生產(chǎn)的第一個鎳基變形高溫合金，在國際上也是最早研制成功的高溫合金。該合金在英國為Nimonic75，在美國為。Inconel600，在前蘇聯(lián)稱為Й435。它是由Ni-20Cr電阻絲材料發(fā)展而來的。在Ni-20Cr合金中加入少量鋁、鈦，使其強度提高很多，成為高溫合金。為了進一步提高強度以滿足航空工業(yè)的需要，在GH3030合金基礎(chǔ)上不斷添加固溶強化元素鎢、鉬、鈷等，同時配合鈰、硼、鋯、鑭等晶界強化元素，結(jié)果形成了中國固溶強化鎳基變形高溫合金系列，最高使用溫度達950～1000 ℃，100h的持久強度。

特點 固溶強化鎳基變形高溫合金有如下特點：(1)高的鉻含量，達20%以上，因此具有良好的抗氧化耐腐蝕性能，適合在高溫燃氣氣氛下長期工作。(2)合金為單相奧氏體組織，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，時效傾向很小，具有優(yōu)良的加工工藝性能和滿意的焊接性能。(3)具有高的塑性和相對較低的強度，容易進行塑性變形，能軋成薄板材，可以深沖冷加工。(4)熱處理簡單，只需很短時間退火便消除應(yīng)力，并可控制晶粒度。

應(yīng)用 固溶強化鎳基變形高溫合金在使用過程中可能會有一些碳化物相析出，略有一些硬化作用。因此合金中的碳含量不宜過高，以免降低塑性。GH141合金除固溶強化外，還有γ’相時效強化(見高溫合金時效強化)，加工塑性差些，適合用作在高溫下要求強度較高的板材合金。合金化程度高的GH3044、GH3128、GH141和GH170等合金，在長期使用中會析出σ,μ等相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，影響合金性能。

本項目針對鎳基變形高溫合金微型構(gòu)件制造中關(guān)鍵問題-介觀尺度塑性變形尺度效應(yīng)開展了系統(tǒng)的研究，通過固溶處理和時效處理獲得了不同晶粒尺寸和析出相的微觀組織，分析了晶粒尺寸、試樣尺寸與晶粒尺寸之比（D/d）和析出相等對微型圓柱單向壓縮流變應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)當D/d≥9.7時，流動應(yīng)力與晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch關(guān)系，當D/d<9.7時，微壓縮時流動應(yīng)力偏離了Hall-Petch關(guān)系，出現(xiàn)了流動應(yīng)力尺度效應(yīng)現(xiàn)象。考慮微型圓柱單向壓縮過程中難變形區(qū)、小變形區(qū)和大變形區(qū)3個壓縮應(yīng)變分區(qū)，引入晶界因子、Taylor因子等參數(shù)，構(gòu)建了介觀尺度流動應(yīng)力尺度效應(yīng)理論模型；發(fā)現(xiàn)在相同晶粒尺寸下，隨著δ相含量的增加，材料流動應(yīng)力增大，明晰了強化相對流變應(yīng)力強化作用和對晶粒釘扎作用的耦合機制，考慮基體、溶質(zhì)原子、沉淀相貢獻的流動應(yīng)力，基于介觀尺度位錯理論建立了強化相對尺度效應(yīng)影響的多相材料本構(gòu)模型，揭示了鎳基變形高溫合金塑性微變形過程中強化相對尺度效應(yīng)的影響機理；研究了鎳基變形高溫合金微型圓柱單向壓縮過程的組織演化規(guī)律，分析晶粒尺寸、試樣尺寸與晶粒尺寸之比以及δ相對非均勻變形行為的影響規(guī)律，基于介觀尺度晶體塑性理論實現(xiàn)了微觀組織演化的實時可視化，提供了一種精確揭示介觀尺度下微壓縮過程微觀組織演化機理的手段，解決了成形工藝穩(wěn)定性和性能控制問題，為鎳基變形高溫合金微型體積構(gòu)件的可控制造提供理論基礎(chǔ)。本項目的研究成果促進了鎳基變形高溫合金塑性微成形技術(shù)在微制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

航空航天領(lǐng)域飛行器及制導武器系統(tǒng)趨向于微型化發(fā)展，使得微型發(fā)動機熱端部件的加工特征尺寸大幅減小至介觀尺度，鎳基變形高溫合金微型構(gòu)件制造是關(guān)鍵問題。本項目研究鎳基變形高溫合金熱塑性微體積變形行為，分析試樣尺寸、晶粒尺寸和強化相對熱塑性微變形過程中流變應(yīng)力的相互影響，明晰強化相對流變應(yīng)力強化作用和對晶粒釘扎作用的耦合機制，基于介觀尺度位錯理論建立強化相對晶界遷移影響的熱塑性微變形理論模型，揭示鎳基變形高溫合金熱塑性微變形過程中強化相對尺度效應(yīng)的影響機理，進一步研究鎳基變形高溫合金熱塑性微變形過程的組織演化規(guī)律，探討熱變形缺陷形式與形成機制，解決成形工藝穩(wěn)定性和性能控制問題，實現(xiàn)鎳基變形高溫合金微型體積構(gòu)件的可控制造。本項目的研究不僅能夠突破鎳基變形高溫合金微型構(gòu)件成形關(guān)鍵技術(shù)，并且可以促進塑性微成形技術(shù)在微制造領(lǐng)域的實際應(yīng)用。