隨著科技的發展，航空航天、汽車等行業的工業生產要求不斷提升，燃氣輪機、渦輪葉片機匣等領域高溫部件，為了適應整體工業生產的要求，對原材料性能的要求也隨之提高。鎳基鑄造制備高溫合金材料零部件方式，能夠在性能及處理方式上，滿足各個領域工業生產對原材料的要求。除此之外，熱處理是高溫合金生產過程中不可或缺的工藝，能夠通過改變合金的微觀組織來提升合金的耐熱性、抗腐蝕性等性能，在鎳基鑄造高溫合金制備零部件的過程中，熱處理工藝地位重要。文章介紹了鎳基鑄造高溫合金的發展歷程和熱處理技術及其對結構和性能的影響，闡述了鎳基鑄造高溫合金熱處理技術的發展現狀和趨勢。

鎳基鑄造高溫合金是指以鎳為主要成分，以鑄造方法直接制備零部件的高溫合金材料。其具有優異的高溫強度、疲勞穩定性和斷裂韌性以及良好的耐蠕變穩定性等綜合力學性能，可以在高溫環境下長期安全運行，廣泛地應用于航空航天、汽車行業、燃氣輪機領域發動機渦輪葉片、整體葉盤、機匣等高溫部件。隨著航空發動機技術的發展，對合金材料性能的要求也大幅提高。針對原材料性能提升以及初步處理工作的改善，已經成為我國工業生產中的主要趨勢。熱處理是鎳基鑄造高溫合金改善性能必要的工藝過程，通過改變鑄件內部結構的形貌和分布或改變鑄件表面化學成分，可以提高鑄件的綜合力學性能、消除鑄造應力，或提高鑄件的耐腐蝕性能。本文主要論述了鎳基鑄造高溫合金及其熱處理工藝技術的研究進程，并對其進行了總結和分析，對未來進行展望，為后續的工業生產提供參考。

1 鎳基鑄造高溫合金的發展歷程

鎳基鑄造高溫合金是高溫合金領域中的重要組成部分，在各類精密鑄件生產過程中具有較為突出的優勢，其主要原因就是這種材料耐高溫、高抗氧化和耐腐蝕性的性能。早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在20 世紀50 年代后期，隨著航空發動機技術的發展，發動機渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對高溫合金的強度和使用溫度提出了更高的要求。而提升鎳基高溫合金強度的方法便是提高合金的合金化程度，導致鎳基高溫合金越來越難以變形甚至不能變形，只能采用鑄造工藝生產。另外，隨著發動機葉片設計技術的發展，出現了空心氣膜孔冷卻葉片。這種具有復雜內腔的空心葉片，只能夠采用熔模鑄造的工藝進行生產。在這種需求下，國內外逐漸發展出了一系列具有良好高溫性能的鎳基鑄造高溫合金牌號。

鎳基高溫合金材料在20 世紀40 年代初期的英國被首次發現，其在噴氣式航空領域的應用使很多工業生產商注意到了合金材料性能的重要性。英國于1941 年首先生產出鎳基合金Nimonic75 (Ni-20Cr-0.4Ti)，在之后很長一段時間內，美國和蘇聯等發達國家也先后研制成功類似的合金材料，而中國在20 世紀50 年代后期也相繼開發出了一些相同性質的合金材料。

研究鎳基鑄造高溫合金的發展歷史就不難發現，它大致有兩個方向的研究路徑：一是通過對合金成分的調整和組合，研究不同元素添加比對合金性能的影響，進而獲取最優的元素和成分比；二是通過對鎳基鑄造高溫合金生產工藝、生產設備的優化和改進，提升合金的制備技術。如20 世紀50 年代初期，科學家們通過大量的實驗研究，研發了真空冶煉工藝，這一工藝技術的出現與發展為鎳基鑄造高溫合金的制備提供了技術方面的保障；20 世紀60 年代，發達國家通過研究，提出了熔模精密鑄造工藝，生產出了大量具有良好高溫性能的鑄造合金。在隨后的若干年里，又陸續研發出了一些高溫性能更好的單晶鑄造高溫合金。隨著航空航天發動機技術的發展，對鎳基鑄造高溫合金也有了更高的要求。所以，從20 世紀50 年代初至90 年代末的40 多年時間里，隨著研發能力的不斷提升，鎳基鑄造高溫合金的性能和使用溫度也越來越高，應用領域也越來越廣。

2 鎳基鑄造高溫合金的強化機理及結構特點

2.1 固溶強化

鎳基鑄造高溫合金提升性能的方法之一是固溶強化，它是指將鋁、鈦、鈮、鉭等可以與基體形成γ′相的合金元素融入合金中，造成一定的晶格畸變，從而提升合金強度的方法。這種通過融入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬強化的現象稱為固溶強化。該類型合金具有較優異的抗氧化和抗疲勞特性，最明顯的優勢就是結構穩定性高，同時有較好的熱可塑性。根據上述特點，鎳基鑄造高溫合金可用來制造溫度變化較大的金屬材料零件，如：航空發動機的風扇葉片、渦輪機匣部件等。

美國Haynes 公司(哈氏合金) 在2005 年研發出了一種優異的鎳基變形高溫合金Haynes282，該合金的使用溫度在649～927 ℃之間，并且通過優化成分以及控制合金中的γ′的含量，使該合金兼具了良好的蠕變強度、熱穩定性以及優越的可加工性能和良好的焊接性能，這主要得益于在合金中加入了難熔的各種金屬成分，如鎢和錳等微量成分。

2.2 沉淀強化

近些年來，研究人員對提高鎳基鑄造高溫合金的強度和性能的方法大多一致，即使是添加材料的不同，也變化不大。在進行提高合金強度和性能的研究過程中，研究人員一般會在合金中加入少許沉淀強化元素，通過熱處理工藝過程從合金組織的母相中析出第二相(γ′、γ″、碳化物等)，進而大幅提高合金的強度。鎳基鑄造高溫合金中典型的γ′ 相為Ni3Al 或Ni3Ti。其強化途徑有以下兩種：一是通過增加合金中Ai、Ti 元素含量進而增加γ′相的數量；二是可以加入Co、W、Mo 等元素來提高γ′ 相的強度。通過一些元素的增加，析出的第二相能夠有效抑制金屬材料顆粒的發育生長。采用這種強化方式的合金大多用于制作發動機高溫部件，如：航空發動機、燃氣輪機的渦輪葉片等。

3 鎳基鑄造高溫合金熱處理技術發展情況

鎳基鑄造高溫合金熱處理，是指對鎳基高熱合金產品在鑄態下，采用加熱、保溫和淬火的加工方法，以達到預期顯微組織結構和力學性能的一類金屬材料熱加工工藝。研究熱處理對合金的微觀組成的影響，以探索良好的熱處理機制，對改善合金的高溫特性具有積極的意義。其中，固溶處理和時效處理是主要的熱處理工藝。固溶處理指的是合金顯微組織中過剩相充分溶解到基體相中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。固溶處理可以強化固溶體并提高基體抗腐蝕性能，同時能夠消除基體鑄造殘余應力，一般作為預備熱處理，為后續的機械加工和隨后的時效處理做準備。時效處理是指在強化相析出的溫度區間內加熱并保持一段時間，使高溫合金的強化相均勻析出，從而提高鑄件的強度。近年來，國內研究者也對鎳基鑄造合金熱處理工藝開展了更加廣泛和深入的研究。楊賀陽關于新型含有稀土金屬的新型鎳基單結構高溫復合材料，探討了不同熱處理方法對其結構與性質的影響，采用差熱分析方法確定復合材料的固相線與液相線溫度，采用金相試驗法測定該復合材料的初熔溫度[1]，最后制定出該復合材料的熱處理技術方法。馬特等深入研究了各種熱處理方法對GH4169 合金力學性能、結構的影響作用，研究結果表明，在固溶處理的溫度很低時，金屬γ′相會被充分熔化而產生與形狀不均的γ′相共存的結構，這樣就能夠抑制金屬晶粒的生長，從而增加了合金的塑性和硬度，在長時間環境溫度較低，時效時間較長的情況下，γ′的數量可以有所增加，因此合金的硬度增加，但塑性卻減小[2]。王樹森等對等溫鑄造的GH4169G 合金，進行了不同的熱加工和蠕變后的機械性能試驗，結果表明通過直接時效和一次固溶，二次時效的方法熱加工后，合金中的δ 相一般呈現出粒子狀或針狀。直接時效可降低合金應力集中、延緩裂縫的形成和擴大，而標準熱處理則能大大降低奧氏體晶界的結合硬度，從而促進了奧氏體晶界中裂縫的形成和擴大[3]。竇學錚等以Inconel718 鎳基合金為主要研究對象，對在各種熱處理及加工制度下合金的微觀組成、熱力學性能和耐蝕性能之間的相互關系開展了深入研究，結果表明伴隨固溶溫度的升高，合金中δ 相進一步溶解，當固溶溫度由室溫升至1 020 ℃時，δ 相充分熔化。另外，經固溶處理后的Inconel718 合金抗氧化的能力，略好于經固溶+ 時效處理的合金材料[4]。朱勇等以生產某內燃機排氣閥的鎳基合金為主要科研目標，探討了在三個不同的熱加工體系(T1：850 ℃×4 h，

AC.+730 ℃×4 h, AC.; T2: 704 ℃×24 h, AC.; T3: 760 ℃×16 h, AC.) 時，對該合金的室內溫度動力學的作用問題。實驗結果顯示：T1 制下合金強韌度最大，達347HV10；T1、T3 制下合金室溫的抗拉強度比均超過了1 200 MPa；T2 制下的延展性比最好，超過了三分之一，特別適合于對塑性要求較高的工作環境[5]。馮玥焓等在探討固溶強化處理時間對鎳基高鐵合金中Re、Ru 元素分布及其微觀形態的影響作用后認為，由于固溶強化處理時間對Re、Ru 元素分布影響明顯，當固溶強化時間小于1 h 時，Re、Ru 成分均出現明顯偏析現象；當固溶強化時間達到20 h 后，兩者的偏析現象明顯改善[6]。桂萬元等深入研究了固溶處理對某鎳基單晶鑄造高溫合金微觀組成和偏析程度的影響，并發現合金鑄態組織中具有顯著的成份偏析現象，而通過優化熱處理制度，提高固溶溫度可以有效減少合金成份偏析的情況[7]。

4 鎳基鑄造高溫合金熱處理技術最新進展

近些年來，隨著鎳基鑄造高溫合金材料在工業生產當中的廣泛應用，這一材料的熱處理技術水平也不斷提升，相關學者將有限元數值模擬方法和熱處理工藝進行了有機結合。研究了熱處理工藝參數實際應用方面的具體影響，并根據熱加工實驗數據確立了析出溫度，相對于高溫合金性能之間的對應關系，并通過實驗過程中大量數據和實驗結果，分析論證構建了熱處理模擬數據庫。

近年來，有研究人員開展了高溫合金大型艦船用發動機部件熱處理工藝技術研究，把有限元數值模擬方法和熱處理技術進行了深入融合，對實際制造的工藝技術參數控制、鑄件品質管理等方面都具有重要價值。同時，也節約了工藝人員在數據處理、方案設計上需要的時間[8]，促進鎳基合金熱處理技術向智能化、高效化發展。

隨著協同制造理念的發展，熱處理工藝的研究人員也逐漸和鎳基鑄造高溫合金研發人員開展合作，將熱處理工藝和合金成分設計結合起來，在鎳基高溫合金研發的初期就開始考慮合金最佳的熱處理工藝，使鎳基鑄造高溫合金達到最好的使用性能。

5 結語

綜上所述，本文主要針對鎳基鑄造高溫合金發展史及熱處理工藝的現狀行了探討，對現階段中國鎳基鑄造高溫合金熱處理技術的發展情況以及發展歷史作出了詳細的介紹，對發展現狀以及具體的研究方向進行了闡述。隨著近年來我國工業生產水平的不斷提升，相關行業對合金材料性能需求也在大幅提升，作為能夠有效改善鎳基鑄造高溫合金特性的金屬熱處理工藝，其優勢明顯且無法被其他工藝替代，需要在熱處理工藝前沿技術方面開展進一步的探索。

文章來源航空發動機