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镍基高温合金的简介
报告人：邹亦凡 报告时间：2016-06-06
目录
1
发展背景
2
组织结构
3 5
性能 发展前景
4 强化热处理
发展背景
随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发 与研究越来越被人们所关注
一
我国高温合金发展的三个阶段
第一阶段 , 从1956 年至20 世纪70 年代初
我国高温合金的创业和起始阶段 在苏联专家的指导下炼 出的第一炉高温合金 , 拉开了我国研制和生产的序幕
报告完毕 感谢聆听
参考文献
王会阳，安云岐，李承宇，晁兵，倪雅，刘国彬，李萍.镍基高温合金材料的研究进展.材料导报,2011,25:482-486 郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008 郭建亭。高温合金材料学（中册）.科学出版社，2008 金玉花，韩萍花，李常锋，寇生中.稀土Y，Ce对K418镍基高温合金微观组织的影响.材料工程，2016，44:46-51 颜鸣皋，陈学印.镍基高温合金的强化.金属学报（ACTA METALLURGICA SINICA）,1964, 7(3):307-321 唐中杰, 郭铁明, 付迎, 惠枝, 韩昌松.镍基高温合金的研究现状与发展前景.金属世界，2014，1：36-40
三
镍基高温合金的特殊性能
高温 强度 蠕变 强度
在金属材料中，镍基合金由于具有 最佳的抗高温蠕变能力，而被广泛 的使用在各种高温环境，作为承力 件应用。
镍基合金室温下就具有较高的拉伸
强度, 且兼具良好的延展性，此一趋 势可维持至高达850℃
镍基合金在强还原性腐蚀环境，
复杂的混合酸环境，含有卤素离
子的溶液中都具有很好的耐蚀性。
第二相 强化
(1)弹性应力场作用
(2)位错切割第二相质点 (3)位错绕过第二相质点的Orowan机制
沉淀 硬化
金属在过饱和固溶体中溶质原子 偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分 布于基体中而导致硬化。
(4)在高温蠕变条件下，位错可以通过
交滑移或攀移越过第二相。
颜鸣皋，陈学印.镍基高温合金的强化.金属学报（ACTA METALLURGICA SINICA）,1964, 7(3):307-321
热处理
镍基高温合金的强化可以分为以下三类：固溶强化、 晶界强化、第二相强化
四
强化原理
晶界 强化
晶界的晶体结构不规则，原子排
列杂乱，同时又有各种晶体缺陷
存在。在室温快速形变下，由于 晶界不参与形变，并且可阻止晶 内滑移，因而有利于合金的强化。
固溶 强化
将合金元素固溶到奥氏体基体中， 来达到强化的目的。
镍含量对镍基合金持久寿命的影响 钴含量对合金蠕变速率和蠕变断裂寿命的影响
3.铬 铬含量约十分之一会进γ ‘相，还 有少量形成碳化物，其余大部分溶 解于γ 固溶体。 3.钨和钼 钨溶解于γ 基体和γ ’相各占一半， 钼主要溶解于γ 基体中
铬含量对合金氧化速率的影响
钼含量对合金屈服强度的影响
性能
镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作， 它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的 高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能
耐腐 蚀性
疲劳 性能
高温合金在高温下的疲劳寿命受 温度、应变速率、保持时间以及 负荷波形等参数的影响，这主要 是由于高温下与时间相关的损伤
机制发生作用的结果
三
有关性能的具体体现
镍基高温合金的性能曲线
不同合金的抗蠕变性能比较图
三
有关性能的具体体现
不同合金在HCl中的耐蚀性质数据
K 445合金在最高循环温度850℃ 时 ,200 次热循环后的热疲劳裂纹形貌
（1） γ 基体：通常含有较多数量固溶元素 (CoCrMoW)的连续分布的面心立方结构的 镍基奥氏体相。 （2）γ ’相是一种以Ni3Al为基的金属间化合物 ，与基体一样都是面心立方结构，且两相的 点阵常数相差很小， γ ’相总是在γ基体上 共格析出。 γ ’相是镍基高温合金中最重要 的强化相。 （3）γ／γ’共晶相：对于Al、Ti含量较高的铸造 高温合金，会产生由γ和γ’相共同结晶的情 况，生成共晶。 （4）碳化物相高温合金中可能出现的碳化物类 型有MC、M6C和M23C6。碳化物在镍基高温 合金的强化中起着重大作用。
第一，溶解或大部分溶解主要强化相；
第二，获得均匀而合适的晶粒尺寸； 第三，降低或消除偏析。
四 固溶热处理与γ ’相
合金的硬度随固溶温度的升高先减小后 增大，1140"C之前硬度随固溶温度的 升高而减小，1140℃到1200。
随着固溶温度的升高，在1180℃和11Hale Waihona Puke Baidu0℃固溶时，Y‘相溶解
缓慢，尺寸变化不大；在1200℃固溶时，Y’相开始溶解尺寸、 略微下降；在1210摄氏度和1220℃温度固溶时，由于Y’相全 部溶解后在时效过程中又重新析出，其尺寸明显减小
第二阶段 , 从 20世纪70 年代中至 90年代中期
我国高温合金的提高阶段 随着试制和生产一些仿欧美型 号的航空发动机 , 引进了一系列欧美体系的合金
第三阶段 ,从20 世纪 90年代中至今
我国高温合金的新发展阶段，应用和开发出了一批的 新工艺，研制和生产了一系列高性能、 高档次的高 温合金
王会阳，安云岐，李承宇，晁兵，倪雅，刘国彬，李萍.镍基高温合金材料的研究进展.材料导报,2011,25:482-486
组织
化不明显，而在二次γ ’相之间析出 部分三次γ ’相，析出三次γ ’相的 数量与时效前基体过饱和度有关。
一致性
不同固溶温度和不同固溶保温时间下， 合金时效前后变化趋势一致。
冷却
水淬后时效合金的硬度最高，空冷 次之，炉冷最低。这和合金中三次γ ’ 相的含量相对应。
四 时效强化与γ ’相
时效前后γ ’相的情况
合金高温长期时效后γ ’相的形貌
四 固溶+时效热处理
固溶+时效热处理
铸造合金通过固溶处理后，合金的强度提高了，但是塑 性明显下降，因此目前一些高强度铸造高温合金，为了获得
优良的综合性能，即既有很高的强度，又有一定的塑性，合
金固溶后应跟着进行时效处理。 时效处理分一级、二级和三级，由于两级和三级时效处
理后，合金中既有粗大的γ 相又有细小的γ ’相弥散析出，使
合金具有最佳的综合性能
发展前景
四
发展前景
① ②
保持组织稳定性，提高材料强度。
发展耐热腐蚀性能优越的单晶合金。
③
开发密度尽量小的单晶合金。
④
降低成本，减少昂贵的金属元素 添加量。
唐中杰, 郭铁明, 付迎, 惠枝, 韩昌松.镍基高温合金的研究现状与发展前景.金属世界，2014，1：36-40
四
固溶热处理
目的
固溶热处理的目的通常有三个：
作用
①将铸态粗大 γ ’ 相颗粒全部或部分 固溶后在空冷过程中析出更细小的γ ’ 相，以提高合金的高温强度。 ②固溶温度愈高，铸态粗大的矿相固 溶的愈多，析出细小 γ ’ 数量愈多， 合金强度越高。 ③在固溶处理过程中，除 γ ’ 相固溶 外，还有碳化物的分解和析出，碳化 物在镍基高温合金的固溶强化中起着 重大作用
四 固溶热处理与Y’相
γ ’相平均等效直径与固溶温度的关系
固溶处理对γ ’相数量的影响
随着固溶温度的升高， γ ’相的形态逐渐由球 形变为立方体形状。 γ ’相由球形向方形转变 是一个界面能降低的过程。
四
时效强化
时效热处理主要目的是是进一步析出
合金在经过时效处理后二次γ ’相变
目的
细小的γ ’相或γ “相，使主要强化 相数量增加，使高温合金的强度进一 步提高
组织结构
镍基高温合金是以镍为基体（ 含量一般大于50％ ） 、 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧 化、 抗燃气腐蚀能力的高温合金
二
镍基高温合金的相的组成
镍基高温合金的铸态组织由基体γ相， 主要强化相，γ ’(Ni3A1)及枝晶间的γ／γ ’ 共晶相和碳化物(硼化物)组成。
合金微观形貌
郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008
二
相的形貌
γ ’相的晶体结构
冷却后产生γ 和γ ’ 相的微观组织形貌
碳化物析出形态
铸造高温合金冷却后 生成共晶的微观组织 形貌
郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008
二
合金元素
镍基高温合金通常含有十余种合金元素，分 类如下： 形成基体的元素：Ni，Co，Cr，Mo，W， Nb，Ta，Ti，AI，C，B，Zr
形成γ 相的元素：Nb，Ta，Ti，Al
强化晶界的元素：C，B，zr
形成碳化物的元素：Cr，
形成稳定氧化膜的元素：MO，W，Nb，Ta， Ti,Cr，Al
二
合金元素的作用
1.镍
镍是基体元素，FCC结构，从室温
到高温没有同素异构转变。 2.钴 钴具有密排六方（HCP）结构，从 室温到高温要发生同素异构转变， 由HCP结构转变γ FCC结构。
报告人：邹亦凡 报告时间：2016-06-06
目录
1
发展背景
2
组织结构
3 5
性能 发展前景
4 强化热处理
发展背景
随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发 与研究越来越被人们所关注
一
我国高温合金发展的三个阶段
第一阶段 , 从1956 年至20 世纪70 年代初
我国高温合金的创业和起始阶段 在苏联专家的指导下炼 出的第一炉高温合金 , 拉开了我国研制和生产的序幕
报告完毕 感谢聆听
参考文献
王会阳，安云岐，李承宇，晁兵，倪雅，刘国彬，李萍.镍基高温合金材料的研究进展.材料导报,2011,25:482-486 郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008 郭建亭。高温合金材料学（中册）.科学出版社，2008 金玉花，韩萍花，李常锋，寇生中.稀土Y，Ce对K418镍基高温合金微观组织的影响.材料工程，2016，44:46-51 颜鸣皋，陈学印.镍基高温合金的强化.金属学报（ACTA METALLURGICA SINICA）,1964, 7(3):307-321 唐中杰, 郭铁明, 付迎, 惠枝, 韩昌松.镍基高温合金的研究现状与发展前景.金属世界，2014，1：36-40
三
镍基高温合金的特殊性能
高温 强度 蠕变 强度
在金属材料中，镍基合金由于具有 最佳的抗高温蠕变能力，而被广泛 的使用在各种高温环境，作为承力 件应用。
镍基合金室温下就具有较高的拉伸
强度, 且兼具良好的延展性，此一趋 势可维持至高达850℃
镍基合金在强还原性腐蚀环境，
复杂的混合酸环境，含有卤素离
子的溶液中都具有很好的耐蚀性。
第二相 强化
(1)弹性应力场作用
(2)位错切割第二相质点 (3)位错绕过第二相质点的Orowan机制
沉淀 硬化
金属在过饱和固溶体中溶质原子 偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分 布于基体中而导致硬化。
(4)在高温蠕变条件下，位错可以通过
交滑移或攀移越过第二相。
颜鸣皋，陈学印.镍基高温合金的强化.金属学报（ACTA METALLURGICA SINICA）,1964, 7(3):307-321
热处理
镍基高温合金的强化可以分为以下三类：固溶强化、 晶界强化、第二相强化
四
强化原理
晶界 强化
晶界的晶体结构不规则，原子排
列杂乱，同时又有各种晶体缺陷
存在。在室温快速形变下，由于 晶界不参与形变，并且可阻止晶 内滑移，因而有利于合金的强化。
固溶 强化
将合金元素固溶到奥氏体基体中， 来达到强化的目的。
镍含量对镍基合金持久寿命的影响 钴含量对合金蠕变速率和蠕变断裂寿命的影响
3.铬 铬含量约十分之一会进γ ‘相，还 有少量形成碳化物，其余大部分溶 解于γ 固溶体。 3.钨和钼 钨溶解于γ 基体和γ ’相各占一半， 钼主要溶解于γ 基体中
铬含量对合金氧化速率的影响
钼含量对合金屈服强度的影响
性能
镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作， 它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的 高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能
耐腐 蚀性
疲劳 性能
高温合金在高温下的疲劳寿命受 温度、应变速率、保持时间以及 负荷波形等参数的影响，这主要 是由于高温下与时间相关的损伤
机制发生作用的结果
三
有关性能的具体体现
镍基高温合金的性能曲线
不同合金的抗蠕变性能比较图
三
有关性能的具体体现
不同合金在HCl中的耐蚀性质数据
K 445合金在最高循环温度850℃ 时 ,200 次热循环后的热疲劳裂纹形貌
（1） γ 基体：通常含有较多数量固溶元素 (CoCrMoW)的连续分布的面心立方结构的 镍基奥氏体相。 （2）γ ’相是一种以Ni3Al为基的金属间化合物 ，与基体一样都是面心立方结构，且两相的 点阵常数相差很小， γ ’相总是在γ基体上 共格析出。 γ ’相是镍基高温合金中最重要 的强化相。 （3）γ／γ’共晶相：对于Al、Ti含量较高的铸造 高温合金，会产生由γ和γ’相共同结晶的情 况，生成共晶。 （4）碳化物相高温合金中可能出现的碳化物类 型有MC、M6C和M23C6。碳化物在镍基高温 合金的强化中起着重大作用。
第一，溶解或大部分溶解主要强化相；
第二，获得均匀而合适的晶粒尺寸； 第三，降低或消除偏析。
四 固溶热处理与γ ’相
合金的硬度随固溶温度的升高先减小后 增大，1140"C之前硬度随固溶温度的 升高而减小，1140℃到1200。
随着固溶温度的升高，在1180℃和11Hale Waihona Puke Baidu0℃固溶时，Y‘相溶解
缓慢，尺寸变化不大；在1200℃固溶时，Y’相开始溶解尺寸、 略微下降；在1210摄氏度和1220℃温度固溶时，由于Y’相全 部溶解后在时效过程中又重新析出，其尺寸明显减小
第二阶段 , 从 20世纪70 年代中至 90年代中期
我国高温合金的提高阶段 随着试制和生产一些仿欧美型 号的航空发动机 , 引进了一系列欧美体系的合金
第三阶段 ,从20 世纪 90年代中至今
我国高温合金的新发展阶段，应用和开发出了一批的 新工艺，研制和生产了一系列高性能、 高档次的高 温合金
王会阳，安云岐，李承宇，晁兵，倪雅，刘国彬，李萍.镍基高温合金材料的研究进展.材料导报,2011,25:482-486
组织
化不明显，而在二次γ ’相之间析出 部分三次γ ’相，析出三次γ ’相的 数量与时效前基体过饱和度有关。
一致性
不同固溶温度和不同固溶保温时间下， 合金时效前后变化趋势一致。
冷却
水淬后时效合金的硬度最高，空冷 次之，炉冷最低。这和合金中三次γ ’ 相的含量相对应。
四 时效强化与γ ’相
时效前后γ ’相的情况
合金高温长期时效后γ ’相的形貌
四 固溶+时效热处理
固溶+时效热处理
铸造合金通过固溶处理后，合金的强度提高了，但是塑 性明显下降，因此目前一些高强度铸造高温合金，为了获得
优良的综合性能，即既有很高的强度，又有一定的塑性，合
金固溶后应跟着进行时效处理。 时效处理分一级、二级和三级，由于两级和三级时效处
理后，合金中既有粗大的γ 相又有细小的γ ’相弥散析出，使
合金具有最佳的综合性能
发展前景
四
发展前景
① ②
保持组织稳定性，提高材料强度。
发展耐热腐蚀性能优越的单晶合金。
③
开发密度尽量小的单晶合金。
④
降低成本，减少昂贵的金属元素 添加量。
唐中杰, 郭铁明, 付迎, 惠枝, 韩昌松.镍基高温合金的研究现状与发展前景.金属世界，2014，1：36-40
四
固溶热处理
目的
固溶热处理的目的通常有三个：
作用
①将铸态粗大 γ ’ 相颗粒全部或部分 固溶后在空冷过程中析出更细小的γ ’ 相，以提高合金的高温强度。 ②固溶温度愈高，铸态粗大的矿相固 溶的愈多，析出细小 γ ’ 数量愈多， 合金强度越高。 ③在固溶处理过程中，除 γ ’ 相固溶 外，还有碳化物的分解和析出，碳化 物在镍基高温合金的固溶强化中起着 重大作用
四 固溶热处理与Y’相
γ ’相平均等效直径与固溶温度的关系
固溶处理对γ ’相数量的影响
随着固溶温度的升高， γ ’相的形态逐渐由球 形变为立方体形状。 γ ’相由球形向方形转变 是一个界面能降低的过程。
四
时效强化
时效热处理主要目的是是进一步析出
合金在经过时效处理后二次γ ’相变
目的
细小的γ ’相或γ “相，使主要强化 相数量增加，使高温合金的强度进一 步提高
组织结构
镍基高温合金是以镍为基体（ 含量一般大于50％ ） 、 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧 化、 抗燃气腐蚀能力的高温合金
二
镍基高温合金的相的组成
镍基高温合金的铸态组织由基体γ相， 主要强化相，γ ’(Ni3A1)及枝晶间的γ／γ ’ 共晶相和碳化物(硼化物)组成。
合金微观形貌
郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008
二
相的形貌
γ ’相的晶体结构
冷却后产生γ 和γ ’ 相的微观组织形貌
碳化物析出形态
铸造高温合金冷却后 生成共晶的微观组织 形貌
郭建亭.高温合金材料学（上册）.科学出版社，2008
二
合金元素
镍基高温合金通常含有十余种合金元素，分 类如下： 形成基体的元素：Ni，Co，Cr，Mo，W， Nb，Ta，Ti，AI，C，B，Zr
形成γ 相的元素：Nb，Ta，Ti，Al
强化晶界的元素：C，B，zr
形成碳化物的元素：Cr，
形成稳定氧化膜的元素：MO，W，Nb，Ta， Ti,Cr，Al
二
合金元素的作用
1.镍
镍是基体元素，FCC结构，从室温
到高温没有同素异构转变。 2.钴 钴具有密排六方（HCP）结构，从 室温到高温要发生同素异构转变， 由HCP结构转变γ FCC结构。