对Fe、Ni和Co基高温合金主要采用的三种手段

高温合金是指能在600℃以上高温抗氧化和耐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的金属材料。

高温合金按其成分可分为铁基、镍基和钴基合金；按生产工艺可分为变形、铸造、粉末冶金和机械合金化高温合金。

为适应高温工作要求，合金必须采取强化手段。对Fe、Ni和Co基高温合金主要采用固溶强化、时效强化和晶界强化三种手段。

1）固溶强化。固溶强化是通过提高原子结合力和晶格畸变，使Fe、Ni或Co基体中固溶体的滑移阻力增加，滑移变形困难而达到强化。单通过晶格畸变来强化高温合金是不够的，还需要降低扩散系数以阻碍扩散型形变进行强化。

在Fe、Ni基高温合金中，通常加入Cr、Mo、W、Co、Al等元素进行固溶强化。Cr是高温合金中不可缺少的元素，合金的抗氧化性主要依靠Cr。Cr在Ni和Fe中有较大的溶解度。Cr主要与Ni形成固溶体，少量Cr与C形成Cr₂₃C₆型碳化物（Cr含量低时会生成Cr₇C₃型碳化物），可提高合金的高温持久性能。W和Mo是强固溶强化元素，加入W和Mo可以提高原子结合力，产生晶格畸变，提高扩散激活能，使扩散过程缓慢；同时合金的再结晶温度升高，提高了合金的高温性能。另外，W和Mo是碳化物形成元素（主要形成M₆C）。当碳化物沿晶界分布时，对合金强化起更大作用。Co元素也是很有效的固溶强化元素，主要作用是降低基体位错能，提高合金的持久强度，减小蠕变速率；它还可以稳定合金的组织，减少有害相的析出。因此，固溶强化型高温合金中均含有Cr、W、Mo、Al、Co等元素。

2）时效强化。固溶强化型高温合金的使用温度有限，当工作温度大于950℃或要求高屈服强度的合金，则需依靠时效强化。时效强化是利用细小、均匀分布的稳定质点阻碍位错运动，以达到高温强化的目的。时效强化采用时效析出的γ′和γ″相。在Fe和Ni基合金中，γ′相为Ni₃Al型，为面心立方晶体结构，与基体结构相同，为共格析出。γ′相十分稳定，有高的强度和良好的塑性，容易控制其数量、大小和形貌。γ′相还可以被强化。因此高温合金多数牌号用γ′相沉淀强化。γ″相是一种亚稳定的强化相，它是以Nb代替Al的Ni₃Nb相。

Al和Ti是形成γ′相的基本组分，几乎所有时效强化的Fe和Ni基高温合金中都含Al和Ti。Al和Ti共存时，部分Ti代替Al，γ″相变为Ni₃（Al，Ti）。Ti的加入能促进γ′相析出，同时增加了γ′相的强度。合金中Al和Ti的总量基本决定了γ′相的数量。γ′相数量越多，合金的高温性能越好。除Al、Ti外，还加入大原子半径的W、Mo、Nb、Ta等元素。这些元素不同程度地进入γ′相，导致γ′相数量增加，热稳定性提高。如Nb不仅增加γ′相数量，而且提高γ′相的长程有序度和反相畴界能，从而增加位错切割γ′相粒子的阻力，有效提高合金的屈服强度和蠕变强度。Ta元素的加入使γ′相粒子变大，增大晶体错配度，增强共格析出造成的内应力场和切变应力，从而增大强化效果。

3）晶界强化。合金在高温下承受应力时，晶界参与变形，而且变形速度越慢时，晶界变形的比例越大，所以对高温合金来说，强化晶界十分重要。要强化晶界，首先要控制杂质元素（如S、P、Pb、Sn、Sb、Bi等），它们在合金凝固时聚集在晶界，造成合金热强性的降低。在净化晶界的同时，可有意加入一些微量元素以强化晶界，这些微量元素有B、Zr、Hf、Mg、La、Ce等，其中微量B对提高合金的热强性效果最显著。B在晶界偏聚，能减少晶界缺陷，提高晶界强度，并能强烈地改变晶界形状，影响晶界碳化物和金属间化合物的析出和长大，改善其密集不均匀分布的状态，形成球状均匀分布，阻止晶界片状、胞状相的析出，从而提高合金的持久寿命，Zr与B有类似的作用，但不如B强烈。微量Mg能使合金的塑性明显改变，降低稳态蠕变速率。在铸造高温合金中加入微量Hf，可以改善晶界和枝晶间状态，同时改变γ-γ′共晶状态，显著改善合金的室温和高温塑性，对改善热裂倾向也有利。

表7-1 常用变形高温合金的化学成分①[5]Table 7-1 Chemical compositions of high temperature alloys

（续）

① 列入国家标准的牌号和成分摘自GB/T 14992—2005，未列入国家标准的牌号和成分摘自参考文献[5]。

表7-2 铸造高温合金的成分和性能Table 7-2 Chemical compositions and properties of casting high temperature alloys

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表7-3 高温合金的物理性能Table 7-3 Physical properties of high temperature alloys

① E_D为动态弹性模量。

② GH3030合金为静态弹性模量。

表7-1列出了常用变形高温合金的化学成分。铸造高温合金的成分和性能见表7-2。表7-3列出了高温合金的物理性能；表7-4列出了高温合金的热处理制度和典型力学性能。

表7-4 高温合金的热处理制度与典型力学性能Table 7-4 Heat treatment regims and typical mechanical properties of high temperature alloys

（续）

（续）

注：1.除注明GH4169棒材外，均为薄板的性能。

2.表注中A为技术条件规定的数值；B为试验数据；C为暂行技术条件要求值。

3.GH4169合金有优质、DA、普通之分，其技术指标为普通合金的要求。