高温合金热处理工艺研究

高温合金是一类在高温及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有良好的综合性能，被广泛地应用于航空航天等领域。适当的热处理工艺通过改变合金的微观组织来提升其性能。

总结了近几年高温合金热处理工艺的研究进展，详细论述了变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金的热处理工艺及热处理对其组织和性能的影响，并阐述了高温合金热处理工艺的发展趋势。

高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能，已成为航空和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件不可替代的关键材料。高温合金按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。

随着航空发动机的发展，对高温材料的性能要求也不断提高。热处理是高温合金*的工艺过程，高温合金热处理工艺如图１所示，通过改变工件内部的显微组织或改变工件表面的化学成分，提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，提高强度。因此，为优化显微组织所进行的热处理研究一直是合金研制及应用过程中的重要环节之一。

１　高温合金热处理工艺

高温合金热处理工艺是指高温合金材料在固态下，通过加热、保温和冷却的方式，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。近年来对于高温合金研究比较深入、系统的是固溶热处理和时效热处理。固溶热处理是指在高于高温合金组织内析出相的全溶温度，使合金中各种分布不均匀的析出相充分溶解至基体相中，从而实现强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除残余应力的作用，以便继续加工成型，并为后续时效处理析出均匀分布的强化相做准备。

时效热处理是指在强化相析出的温度区间内加热并保温一定时间，使高温合金的强化相均匀地沉淀析出，碳化物等均匀分布，从而实现硬化合金和提高其强度的作用。

２　变形高温合金热处理工艺研究进展

２．１　铁基变形高温合金ＧＨ２１３２合金具有突出的抗松弛能力、耐腐蚀能力和良好的综合性能，适于作航空紧固件。目前使用的ＧＨ２１３２合金达不到１１００ＭＰａ高强度要求来满足工作条件和保证航空安全，因而需要进行一定的热处理。

陈琪等采用两种热处理方式：一是固溶加时效热处理工艺为９００℃固溶２.５ｈ油冷，７２０℃×１６ｈ＋６６０℃×１６ｈ空冷，保证δ＞２２％时，抗拉强度能达到１２４０ＭＰａ；二是直接时效热处理工艺为６８０ ℃能保证δ＞１３％时，将ＧＨ２１３２合金的抗拉强度提高到１４００ＭＰａ。热处理后合金得到了更加优异的综合性能。

ＧＨ６９６合金属于沉淀强化型铁基变形高温合金，在高温条件下具有较高持久蠕变强度，良好的抗氧化、抗腐蚀等综合性能。它的表面硬度和耐磨性限制了在航空方面的应用范围。王淑新对ＧＨ６９６合金进行了表面热处理工艺的研究，采用气体渗氮法，以氨气作为渗氮剂，以氯化铵作为催渗剂。渗氮前试样先进行固溶处理，工艺为（１０００～１１００）℃×（１～２）ｈ油冷；固溶处理后进行两次时效处理，一次时效处理工艺（７５０～７８０）℃×１６ｈ空冷；二次时效处理工艺（６９０～７１０）℃×１６ｈ空冷。

表面热处理提高了合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性能，并且渗氮层深度和渗氮保温时间符合扩散型控制的抛物线法则。

２．２　镍基变形高温合金ＧＨ１４５合金主要用于制造航空发动机在８００ ℃以下工作并要求强度较高的耐松弛的平面弹簧和螺旋弹簧。ＧＨ１４５合金主要靠第二相γ′强化，其力学性能与固溶处理温度和时间关系密切。王增友等［５］采用了（１１３５±１０）℃×２ｈ微量风冷固溶处理，（８４５±１０）℃×２４ｈ炉冷至（７２０±１０）℃×１９ｈ空冷时效处理，得到了较为满意的力学性能。

采用一次固溶，二次时效获得了较为满意的综合力学性能和持久性能。ＧＨ１４５合金经较长时间时效处理后，γ′相中合金元素的溶解度会随着时效温度的不同而略有变化，但与时效时间关系不大。高温合金ＧＨ４１４５／ＳＱ是以γ′［Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ）］为主要强化相的镍基时效硬化型合金，主要用于３００ ＭＷ 或６００ＭＷ 汽轮机高中压内缸法兰螺栓。

此种材质螺栓经过高温运行后，会发生显微组织及位错组态变化、强化相析出等，导致材料的蠕变和持久性能下降。阎光宗等为了改善其性能，对运行后硬度值为３３３ＨＢＷ 的螺栓进行恢复热处理，热处理工艺为固溶＋两次时效，固溶工艺为１１３０℃×１ｈ油冷；时效为８4５℃×２４ｈ，第二次时效为７０７℃×２０ｈ空冷。

采用此工艺对硬度值超标螺栓进行恢复热处理后，其硬度值降至标准要求范围内，虽然强度值有一定程度的下降，但是塑性及韧性显著提升，证明恢复热处理工艺极其有效。ＧＨ４１６９合金是含Ｎｂ的高强度镍-铬-铁基高温合金，主要用于制造航空发动机的高温部件。张尊礼等研究了热处理制度对ＧＨ４１６９冷轧叶片组织性能的影响。