【正文】 溫合金用量的80%，鎳基合金在中高溫度下具有優(yōu)異綜合性能，能夠長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，并且能夠抗腐蝕和磨蝕，因而是在高溫零部件中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，得到許多超合金冶金研究者的青睞。鎳基高溫合金除了在石油化工輸送管道、熱交換器、高溫廢液處理等方面應(yīng)用，更多的使用在航空領(lǐng)域1000℃下工作的零部件中，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、渦輪機(jī)構(gòu)、燃燒室。因此，對(duì)鎳基高溫合金的研究不僅關(guān)系到社會(huì)主義現(xiàn)代化的工業(yè)建設(shè)，而且還與航天航空等國(guó)防事業(yè)密切相關(guān)。Ni基高溫合金是以Ni為基體（含量50%），在650—1000℃之間內(nèi)擁有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗腐蝕能力的高溫合金【10】。這種多功能合金材料是在Cr20Ni80合金基礎(chǔ)上發(fā)展問世的，同時(shí)為了滿足1000℃左右高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、疲勞度和氣體介質(zhì)中的抗氧化、抗腐蝕的要求，合金中加入了大量的強(qiáng)化元素（W、Mo、Ti等），以保證其優(yōu)越的高溫綜合性能。鎳基高溫合金按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。按強(qiáng)化方式，可分為固溶強(qiáng)化高溫合金、時(shí)效強(qiáng)化高溫合金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。鎳與其他合金元素可組成不同的體系，其性能也各異，如Ni Cr系、Ni FeCr 系、NiCrMo 系等。Ni基高溫合金在整個(gè)高溫合金體系（Ni系、Co系、Fe系）占據(jù)了絕對(duì)重要的地位，它的開發(fā)和使用始于20世紀(jì)30年代末期，是在噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)對(duì)高溫合金的性能提出更高要求的背景下發(fā)展起來的。英國(guó)在1941年首先生產(chǎn)出了Ni基合金：，之后為了提高蠕變強(qiáng)度又添加元素Al，；美國(guó)于40年代中期，蘇聯(lián)40年代后期，中國(guó)于50年代中期都成功研制出鎳基高溫合金，50年代初真空熔煉技術(shù)為煉制高含Al和Ti的鎳基合金開辟了道路，50年代后期采用熔模鑄造技術(shù)發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。從四十年代到七十年代，Ni基合金的工作溫度從700℃提高到了1100℃【11】。隨后科學(xué)界的研究主要集中于合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的更新上。在所有的高溫合金中，Ni基合金的組成最復(fù)雜，在受熱耐蝕環(huán)境中用途廣泛，也是最受科研學(xué)者們關(guān)注的對(duì)象。從來材料學(xué)的角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)和成分決定性能，而鎳基高溫合金中冶金元素對(duì)其綜合性能也有著復(fù)雜交錯(cuò)的影響。除了常見的需要控制的P、S等雜質(zhì)元素以外，鎳基合金中通常還需要添加含有十余種甚至更多的合金元素，比如Cr、Co、W、Mo、Re、C、B、Ta、Nb、Ti、Al、Zr、Hf等等，用以改善鎳基合金的性能和組織。（1）Ni的作用。Ni基體為面心立方結(jié)構(gòu)，組織非常穩(wěn)定，從室溫到高溫不發(fā)生同素異型轉(zhuǎn)變，因而作為基體非常有利。Ni具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在500℃以下幾乎不被氧化，常溫下也不受潮濕、水及某些鹽類水溶液的作用；另外Ni在硫酸及鹽酸中溶解很慢；鎳具有很大的合金化能力，這為改善鎳的各種性能提供潛在的可能性【12】。（2）Cr、Co的作用。它們主要能起到固溶強(qiáng)化γ基體的作用，對(duì)合金的抗熱腐蝕性非常有利。Cr可促進(jìn)顆粒狀碳化物在奧氏體晶界上彌散析出（或者沉淀）強(qiáng)化晶界，還可以保護(hù)合金表面不受OH2S等作用而產(chǎn)生高溫氧化和熱腐蝕。一般而言，具有耐熱腐蝕性能要求的合金都含有較高的Cr，細(xì)化保護(hù)膜晶粒，有助于提高其抗高溫氧化性【13】，但Cr的高溫強(qiáng)化效果會(huì)大大低于Mo、Nb、Ta、Re等稀土元素，而且高Cr也會(huì)促進(jìn)TCP相的形成，惡化合金組織的穩(wěn)定性。Co主要進(jìn)于γ基體，降低γ基體的堆垛層錯(cuò)能，減小Al、Ti等在基體中的溶解度，從而增加γ39。相的數(shù)量和提高γ39。相的溶解溫度，這些對(duì)于提高合金的蠕變抗力有著顯著的增強(qiáng)效果。此外Co還可以增加Cr、Mo、W等元素在γ基體的溶解度，減少二次碳化物的析出，改善晶界附近碳化物的形態(tài)【14】。但是Co也明顯降低合金的初始熔化溫度，這對(duì)于高溫合金不利，因此其含量應(yīng)控制在合理的范圍。（3）W、Mo的作用。這兩種元素對(duì)于γ基體和γ39。相都有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，加入這些元素可提高原子間結(jié)合力，提高合金的再結(jié)晶溫度T和擴(kuò)散激活能Q，因此可以有效地提高合金的熱強(qiáng)性和持久性能【15】。Mo比W的效果更為顯著，只有加入不小于(7%～8%)W時(shí)才顯著地改善合金的熱強(qiáng)性。但是使用溫度更高(1000℃)時(shí)，W的強(qiáng)化作用較顯著【16】。但它們都能促進(jìn)TCP相形成，尤其是Mo等偏析元素在枝晶間富集，對(duì)合金的組織穩(wěn)定性非常不利。而且W、Mo在高溫氧化條件下，極易形成揮發(fā)性的氧化物，因此難以形成致密的氧化膜保護(hù)層。在有硫酸鹽的環(huán)境中，易發(fā)生酸性熔融反應(yīng)而產(chǎn)生嚴(yán)重的熱腐蝕。特別是高M(jìn)o的合金，常發(fā)生災(zāi)難性的腐蝕后果。因此Mo含量一般限定在2%以內(nèi)。（4）Re的作用。自擴(kuò)散對(duì)于合金的蠕變性能至關(guān)重要，而金屬元素的自擴(kuò)散常數(shù)決定于熔點(diǎn)、晶體結(jié)構(gòu)和原子價(jià)等等。Re具有很高熔點(diǎn)和密排六方晶格結(jié)構(gòu)，這種特點(diǎn)不僅對(duì)提高合金的蠕變強(qiáng)度大有益處，而且對(duì)于合金的抗氧化性能也有利。但Re價(jià)格昂貴，主要應(yīng)用在單晶高溫合金中。周永軍等人對(duì)稀土元素的影響進(jìn)行了討論，表明稀土原子偏聚于晶界，且主要偏聚于晶界的壓縮區(qū)；晶界區(qū)稀土間相互作用表明稀土原子相互排斥，在晶界區(qū)形成有序相，稀土與S雜質(zhì)相互吸引，其結(jié)果分散和固定部分雜質(zhì)，能改善鎳基合金的高溫性能【17】。（5）C、B的作用。這兩種元素均是高溫合金中重要的晶界、枝晶間強(qiáng)化元素。C和B可以結(jié)合一定數(shù)量的TCP相形成元素，從而提高組織穩(wěn)定性。C在鎳基高溫合金地位顯著，倍受廣大科研者的關(guān)注【1822】。鎳基高溫合金中常見的碳化物有MC、M6C、M23C6等，其中MC型碳化物具有FCC結(jié)構(gòu)，且一般呈點(diǎn)狀、條狀和骨架狀三種形態(tài)分布于合金內(nèi)的枝晶間和晶界上。MC型碳化物并不穩(wěn)定，在750—1040℃溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生緩慢的分解，最后析出顆粒狀的M6C、M23C6碳化物【23】。M6C型碳化物具有復(fù)雜FCC結(jié)構(gòu)，在一些W、M含量高的鑄造鎳基高溫合金中，結(jié)晶時(shí)就能析出M6C，它們十分穩(wěn)定，并且很難通過熱處理方法予以消除。M23C6型碳化物在高Cr合金中常見，晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜FCC結(jié)構(gòu)。M3B2是鎳基高溫合金中常見的硼化物，其點(diǎn)陣常數(shù)在a=，c=，另外也會(huì)少量的M4BMB12等其它硼化物。但加入過多的B，在晶界上容易形成硬而脆的化合物，甚至降低鎳基合金的熱加工性和塑性。（6）)Ta、Nb、Ti、Al的作用。這些元素均是γ39。相形成元素，能夠置換Ni3Al中Al原子的位置；在高溫合金中添加這些元素之后，能促進(jìn)γ39。相的析出從而減慢γ’相的聚集長(zhǎng)大過程，最終可提高鎳基高溫合金的高溫強(qiáng)度。與此同時(shí)，Ta、Ti、Nb、是MC型碳化物形成元素，它們能夠加快MC的析出，起到強(qiáng)化晶界的作用。高Ti可以提高對(duì)合金的抗熱腐蝕性，而高Al則有利于提高合金的抗高溫氧化性；Ta元素則不僅能有效地提高鎳基合金的熱強(qiáng)性，而且同時(shí)還能增加合金的抗氧化性能和耐腐蝕性能；但是Nb電負(fù)性比較強(qiáng)，容易促進(jìn)TCP相的析出，而且Nb在一定程度上會(huì)嚴(yán)重?fù)p失合金的抗氧化性能；因此高溫合金中的Nb含量一般均低于2%【24】。對(duì)合金性能有利的最佳晶界結(jié)構(gòu)為細(xì)小的碳化物顆粒彌散地分布在γ39。相膜層中【25】。 然而長(zhǎng)期時(shí)效期間， 晶界粗化會(huì)嚴(yán)重加劇， 碳化物呈鏈狀分布，最后會(huì)降低合金的性能【26】。因此，應(yīng)找到一個(gè)合適的 Nb/Ti比值，才能控制好初生MC的熱穩(wěn)定性，從而使得晶界粗化速度適當(dāng)?shù)?。在某些FeNi基高溫合金中，有時(shí)也會(huì)加入較多的Nb，促使Ni3Nb相的析出，但這種相與基體點(diǎn)陣參數(shù)相差較大，引起較大程度的晶格畸變，可以顯著提高合金在一定高溫以下的屈服強(qiáng)度。（7）Zr、Hf的作用。這兩種元素都是強(qiáng)烈促進(jìn)γ’相的形成元素，強(qiáng)烈偏聚于晶界和枝晶間，起到強(qiáng)化晶界的作用，它們與S有比較強(qiáng)的親合力，因而可以凈化晶界，能夠有效減少晶間腐蝕的傾向。其中Zr的加入還能降低蠕變速率，并顯著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能，一般和B同時(shí)加入效果最佳。鎳基合金在高溫條件下，其抗氧化性主要依靠Al2O3和Cr2O3的氧化膜層保護(hù)起作用，所以鎳基合金必須至少含有Al、Cr兩者中的一種，尤其是當(dāng)強(qiáng)度要求并不主要的時(shí)候，要特別注意合金的抗高溫氧化性能和熱腐蝕性能雙重要求。盡管高溫合金的氧化性會(huì)因合金元素含量而異，而且高溫合金的高溫氧化行為很復(fù)雜，但通常仍以氧化動(dòng)力學(xué)和氧化膜的組成變化來表征高溫合金的抗氧化能力。北京科技大學(xué)的孫朝陽(yáng)等【27】通過高溫循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，研究了3種鎳基合金在1095℃和1150℃的高溫抗氧化行為，并采用掃描電鏡(SEM)和能譜分析 (EDS) 研究了氧化膜表面形貌、氧化膜厚度及成分。結(jié)果表明：BSTMUF601 合金的抗氧化性能優(yōu)于Inconel601合金和Incoloy800H合金，Incoloy800H合金抗氧化性能最差。1095℃下合金的氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈拋物線規(guī)律（），1150 ℃下Incoloy800H合金抗氧化性顯著降低，試樣氧化極為嚴(yán)重，溫度低于1150 ℃時(shí)合金均體現(xiàn)出良好的抗高溫氧化能力。BSTMUF601和Inconel601合金氧化后表面生成一層致密的氧化膜，經(jīng)分析主要是Cr和Al的氧化物，且氧化膜外層以Cr的氧化物為主，氧化膜厚度接近50μm，Incoloy800H合金表面氧化層中以Fe的不同結(jié)構(gòu)氧化產(chǎn)物為主。Figure 1095℃下3種合金的氧化動(dòng)力學(xué)曲線華中科技大學(xué)的陳陽(yáng)、吳樹森等【28】研究了鑄造鎳基高溫合金Ni48Cr28在9501150℃內(nèi)的氧化動(dòng)力學(xué)，其曲線基本符合拋物線規(guī)律。檢測(cè)結(jié)果表明該合金的氧化膜最外層是比較致密的Mn、Cr氧化混合物，中間層是致密的Cr2O3層，內(nèi)層則是相對(duì)疏松的SiO2層，并且添加稀土元素能夠提高其高溫抗氧化性。Ni基合金不僅在很多工業(yè)苛刻的環(huán)境中具有優(yōu)