时效硬化高温合金的选择

高温合金是高性能材料，旨在在 1200°F （650°C） 或更高的高温下提供高机械强度和抗表面降解性。它们结合了高拉伸强度、蠕变断裂强度和疲劳强度;良好的延展性和韧性，具有优良的抗氧化和热腐蚀能力。此外，高温合金旨在在高温下长期暴露时保持这些特性。

本文重点介绍锻造时效硬化合金，这是最常用的高温合金。锻造材料可以使用热加工和冷加工操作成型。这里没有讨论铸造、粉末 （P/M） 和氧化物分散强化 （ODS） 高温合金，它们也可以提供增强的性能。

第一种时效硬化的高温合金可以追溯到 1929 年左右，当时不同的开发人员在标准的 80% 镍/20% 铬电阻丝合金中添加了钛和铝。这是 80-1940 年开发的 1944A 镍基高温合金的前身，但至今仍在使用。

直到 1935 年至 1944 年期间，第二次世界大战刺激了对可用于早期飞机燃气涡轮发动机的改进合金的需求，才采取了很少的措施来改进原始的时效硬化合金。合金开发活动在 1950 年代和 1960 年代呈爆炸式增长，以跟上燃气涡轮发动机行业的需求。高温合金开发的进步不仅使喷气发动机成为可能，而且在过去 60 年中允许不断提高推重比。

应用

高温合金的主要应用仍然是飞机燃气涡轮发动机的高温段，占先进发动机重量的 50% 以上。然而，这些材料在高温下的出色性能已将其应用范围扩大到一个行业之外。

除了燃气涡轮发动机行业，高温合金还常用于火箭发动机、太空、石化/能源生产、内燃机、金属成型（热加工工具和模具）、热处理设备、核能反应堆和煤炭转化。

虽然这些合金主要用于 1000°F （540°C） 以上的高温下使用，但高强度和出色的耐环境性特性使一些高温合金成为低温应用的绝佳选择。例如，医疗行业的假肢设备和石油/天然气勘探行业的深酸性气井组件。

化学成分

表 1 包含最常见的锻造时效硬化高温合金的标称成分。这些合金包含镍、铁、钴和铬的各种组合，以及少量的其他元素，包括钼、铌、钛和铝。通过少量添加硼和锆等有益元素，这些合金可能包含多达 12 种有意添加的元素。所有这些添加物都有助于在高温下赋予和保持所需的性能。

高温合金中必须严格控制许多其他元素，如硅、磷、硫、氧、氮和大量杂元素（如铅、铋、硒），以避免对高温性能产生不利影响。这些微量元素和杂质元素在熔炼前的原材料选择以及熔炼/再熔炼过程中受到控制。

高温合金可分为镍基、铁基和钴基组。镍基高温合金 （>50% Ni） 是最常见的一组。表 1 中大约一半的合金被认为是镍基合金，而其他合金则含有大量镍。镍基对合金添加有很高的容忍度，否则可能会导致相不稳定，从而导致强度、延展性和/或耐环境性的损失。

铁基高温合金成本较低，但对合金添加的容忍度较低，并且通常具有较低的机械性能和最高温度限制。 例如，CarTech® 合金 A-286 和 CarTech NCF 3015 （Ni-30） 合金。这些合金包含奥氏体不锈钢基体，并添加了镍、钛和铝，以促进时效硬化。CarTech Alloy 706 和 CarTech 901 Alloy 的镍和铁含量相似，可以被认为是镍铁基高温合金。CarTech 901 和 CarTech 706 合金的镍含量较高，可以大量添加强化元素，而不会产生不良影响。

尽管有一些钴基高温合金，但它们的成本要高得多，并且通常无法时效硬化至高强度水平。然而，钴是镍基合金的重要合金添加剂，因为它通过降低时效硬化相的溶解度来延长最高使用温度。 CarTech Waspaloy 和 CarTech 41 合金以及 CarTech 720 合金是添加了 10-15% 钴的镍基合金。这些合金具有普通锻造时效硬化高温合金的最高温度能力。

铬的重量百分比通常在 14% 到 23 之间，是几乎所有高温合金的关键合金添加剂。与不锈钢一样，铬会形成一层紧密粘附的保护性氧化膜 （Cr2O3） 在合金表面抵抗氧化和腐蚀，以及在低温下抵抗腐蚀。该表层可保护合金免受氧、氮和硫元素的有害影响。

尽管大多数高温合金含有至少 14% 的铬，但在某些应用中，最大限度地减少热膨胀至关重要。 CarTech CTX-909 和 CarTech Thermo-Span® 合金被认为是低膨胀高温合金，具有低铬含量，可最大限度地减少镍钴铁基的膨胀。抗氧化和抗热腐蚀能力降低，因此通常在使用前涂覆高温涂层。在这两种合金中，909 合金的膨胀系数最低，而 CarTech Thermo-Span 合金（5.5% 铬）的耐环境性更高。

钼、钨和铌等耐火元素具有较大的原子直径，通过拉紧镍/铁基体来提高高温强度和刚度。合金 901 和 41 含有较大的钼添加量，以增加这种固溶强化效果。其他合金添加剂，如铬和铝，也有助于固溶强化，但程度较小。

元素钛、铝和铌被添加到镍或镍铁基体中，形成金属间化合物镍3 时效硬化热处理过程中的 （Al， Ti， Nb） 相。由此产生的 γ 素或γ 双素相是高温合金中的主要强化剂。这将在下一节关于时效硬化的章节中更详细地讨论。

尽管硼、锆和镁等元素的添加量可能低于 0.1 重量百分比，但有益效果可能非常有效。这些元素分离并稳定晶界，从而显著提高热加工性、高温强度和延展性。少量添加的碳也可能被添加以形成碳化物，从而在高温暴露期间限制晶粒生长和晶界滑动。

时效硬化

高温合金的主要强化方法是时效硬化。镍合金的屈服强度通常通过析出 γ 素数和/或 γ 双素数 Ni 而增加 2 或 3 倍3 （Al， Ti， Nb） 硬化期。虽然该相基于铝化镍 （Ni3Al） 金属间化合物中，高达 60% 的铝可以用钛或铌代替，这实际上增加了合金的强度。

γ 素相相当独特，因为它的强度实际上会随着温度升高而增加，最高可达 1200°F （650°C），并且具有相对的延展性和抗氧化性。在老化过程中，γ 素在镍铁基体中沉淀为非常细小的球状或立方体颗粒。

虽然大多数高温合金采用富钛 γ 素相进行时效硬化，但一种称为 γ 双素的富铌变体是一些高温合金（如 CarTech 合金 706 和 CarTech 718 合金）的主要强化相。富铌相在 1200°F （650°C） 以下提供更高的强度，但在 1200°F 以上不稳定。 因此，706 和 718 合金的温度极限低于用富钛 γ 素相强化的合金。由于 γ 双素反应更缓慢，这些合金也往往具有更好的热加工性和可焊性。

热处理

适当的热处理对于在时效硬化高温合金中达到所需的性能水平至关重要。这些合金的典型热处理列在机械性能表 2 和表 3 中。初始固溶热处理通常溶解除一些初级碳化物和氮化物相之外的所有沉淀相。锻造时效硬化高温合金的典型温度范围为 1650-2100°F （900-1150°C） 1 至 4 小时，然后快速风冷或在水、聚合物或油中淬火。

固溶处理时间和温度的选择随合金及其相溶剂温度而变化，还取决于对预期应用最重要的特定性能。硬化剂含量较高（Ti、Al、Nb）的合金需要更高的温度来溶解在热加工或冷却过程中可能沉淀的任何硬化剂相。最佳的拉伸和疲劳性能通常在较低的溶固温度下获得，从而产生更细的晶粒尺寸。相比之下，高温固溶处理通常可获得更好的长期应力断裂和蠕变性能，这会导致晶粒尺寸较粗且拉伸屈服强度较低。由于这些原因，通常为高温合金指定两种或多种首选热处理。

在某些情况下，固溶处理的另一个目标是形成第二相的理想分布，例如碳化物在 CarTech 41 合金和 delta 相 （Ni3Nb） 的 Bent） 中。固溶处理后，应用一种或多种时效处理，以所需的量和分布沉淀硬化阶段和可能的其他阶段。与固溶处理一样，时效温度的选择取决于合金和所需的性能组合。

时效硬化高温合金的时效范围为 1150-1600°F （620-870°C）。老化时间从 4 小时到 24 小时不等。双重老化处理非常常见，以最大限度地提高强度并开发短期拉伸和长期蠕变断裂性能的最佳组合。初级时效处理会沉淀硬化剂相的较粗分布，并且还可以改善晶界上碳化物的类型和分布。

次级年龄通常比初级老化温度低约 200°F，从而沉淀出 γ 素相的更精细分散。对于一些更高强度的应用，合金在热、温或冷加工后直接时效，无需中间固溶处理。加工产生的应变用于进一步增强拉伸和疲劳性能，但会牺牲一些蠕变断裂性能。

机械性能

对于设计工程师或材料规范制定者，回顾定义适用机械性能的术语可能会有所帮助：

拉伸性能 – 承重结构的设计通常基于屈服强度，或者在某些情况下，基于材料的极限拉伸强度。屈服强度是衡量材料在永久变形之前可以承受的最大应力的量度。拉伸强度是衡量材料在断裂前可以承受的最大应力的量度。高温拉伸性能最适用于高温下的短时暴露。蠕变和应力断裂特性更适用于较长的暴露时间。

蠕变和断裂性能 – 当材料必须长时间承受高温和应力的综合影响时，蠕变和断裂强度就变得很重要。在高温下，金属会在远低于屈服强度的应力下拉伸或“蠕变”。高温合金比低合金或不锈钢更耐蠕变，但蠕变仍会发生在约 1000°F （540°C） 以上。蠕变性能是衡量合金在恒定载荷下抗拉伸性的指标。应力断裂或蠕变断裂性能是在恒定载荷下抗断裂性的量度（对断裂进行蠕变测试）。这两种特性都表示为应力或强度值，这些值将在给定的时间（0 到 1,1 小时）内导致给定量的蠕变 （100.100%-000%） 或断裂。

表 2 和表 3 列出了时效硬化高温合金在 1200-1600°F （650-870°C） 温度下的典型拉伸（屈服）和应力断裂强度性能。表 2 中还列出了室温下的屈服强度。这些特性如图 1 和图 2 所示。应该注意的是，该数据代表了特定热处理的近似标称强度值。由于成分、热/冷加工实践和热处理的差异，实际值可能会相差高达 35%。

例如，CarTech 718 和 CarTech Waspaloy 等高温合金可能在更广泛的行业范围内包含几种不同的目标成分，以优化特定应用的性能。钛、铝和铌的时效硬化元素含量越高，强度就越高。对合金进行热加工或冷加工以获得更细的晶粒尺寸通常会提高拉伸屈服强度，但会降低应力断裂强度。

如前所述，所有时效硬化高温合金的性能都取决于热处理。CarTech X-750 合金和 CarTech Waspaloy 等合金有两种或两种以上首选的热处理（见表 2），具体取决于应用是需要更好的短时拉伸和疲劳性能，还是需要长时蠕变和应力断裂性能。CarTech Waspaloy 和 CarTech X-750 合金的替代热处理示例已经出现，但读者应参考制造商的数据表，以获取其他高温合金替代热处理的更完整列表。

其他特性 – 虽然拉伸和蠕变断裂是高温应用考虑的最基本的机械性能，但设计标准还可以考虑抗疲劳性（低周和高周）、裂纹扩展和磨损/侵蚀。硬度和热硬测试有时用作屈服强度和磨损/侵蚀的粗略量度。

虽然拉伸和蠕变断裂是高温应用考虑的最基本的机械性能，但设计标准还可以考虑抗疲劳性（低周和高周）、裂纹扩展和磨损/侵蚀。硬度和热硬测试有时用作屈服强度和磨损/侵蚀的粗略量度。

合金选择

一种称为 Carpenter Selectaloy® 系统的简化方法可以帮助设计师和工程师根据强度和最高温度要求选择最合适的高温合金。图 3 和图 4 包含本文讨论的 15 种高温合金的 Selectaloy 图。屈服强度（图 3）或应力断裂强度（图 4）在 Selectaloy 图上垂直增加，温度从左到右升高。合金在图表上多次显示，因为合金在一定温度范围内很有用。该图可用于估计合金的强度如何随温度降低，也可用于估计不同合金在不同温度下的强度如何比较。

应该注意的是，合金是根据代表每种合金常用的成分和热处理的平均强度值在 Selectaloy 图上定位的。合金的相对位置可以上下、向左或向右移动，成分、加工和热处理的改变相对较小。温度限制应被视为近似值。因此，虽然 Selectaloy 图是筛选候选合金的有用工具，但它们并不能替代对预期应用所需的关键性能的更详细评估。

CarTech A-286 合金在性能和成本方面是最基本的时效硬化高温合金。CarTech A-286 的强度水平最低，但仍比其他非时效硬化不锈钢合金高出两倍。当需要更高的强度或耐温性时，通常首选更高的镍合金。具有最高强度和耐温性的合金通常含有最高的合金含量和大量的钴。这些合金的相对成本将在下一节中讨论。

合金在性能和成本方面是最基本的时效硬化高温合金。A-286 的强度水平最低，但仍比其他非时效硬化不锈钢合金高出两倍。当需要更高的强度或耐温性时，通常首选更高的镍合金。具有最高强度和耐温性的合金通常含有最高的合金含量和大量的钴。这些合金的相对成本将在下一节中讨论。

本文中介绍的 Selectaloy 图提供了一种比较常见锻造时效硬化高温合金的基本强度性能和温度极限的方法。然而，合金的选择无疑将取决于许多其他考虑因素，包括其他物理和机械性能以及耐环境性和成本。例如，CarTech Thermo-Span 和 CarTech CTX-909 合金在加热过程中具有低得多的膨胀率，但在无涂层条件下以抗氧化性和耐腐蚀性为代价。 CarTech 31V 和 CarTech 751 合金具有相似的强度和耐温性，但 31V 合金的铬含量较高，因此对硫化和其他形式的热腐蚀的抵抗力大大提高。

合金成本

从用户的角度来看，合金的选择必须基于预期的成本效益。

在当今竞争激烈的全球环境中，过度设计已不常见。趋势是选择成本最低的材料来满足应用的设计要求。然而，成本较高的合金可能是合理的，以最大限度地降低整体生命周期成本，或者延长系统中某些部件的使用寿命，这些部件很关键或太昂贵而无法关闭进行维护。当然，了解合金功能对于做出最佳决策至关重要。

随着温度和强度要求的增加，必要的合金含量也会增加。图 5 比较了使用 CarTech A-14 合金作为基础的 286 种合金的相对合金成本（成本系数为 1.0）。成本系数基于本征合金元素成本的 10 年平均值（按市场价格计算）。更高的温度强度和电阻通常需要更高的镍和钴含量。镍和钴的价格历来波动，高价和低价相差 4 到 5 倍。最近，钼（一种有效的固溶体强化剂）的价格在过去两年中上涨了近 <> 倍。

如上所述，图 5 中的成本因素仅基于原材料元素成本（10 年平均值），该成本随时间大幅波动。熔炼、加工和其他加工成本的差异可能很大，但不包括在这些因素中。加工产量和特定的最终用户要求（粒度、超声波检测等）会显著影响产品成本。然而，成本比较是有用的，因为合金化成本通常占高温合金产品成本的很大一部分。由于高温合金具有高温强度和抗变形性，因此加工难度和成本也会随着热强度和最高温度能力的增加而增加。

图 6 显示了 1200-1500°F （650-815°C） 时的应力断裂强度与原材料成本系数的关系。很明显，提供更高水平的强度、耐温性和/或特殊性能的合金也成本更高，这加强了合金选择过程的重要性。