成分百科：铁-镍-铬基-K213合金

K213合金（旧牌号K13，ISC C72130）是GB/T 14992《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》认定的铁-镍-铬基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，以Fe-Ni奥氏体为基体、Cr 15%/Ni 36%/W 5.5%/Al 1.8%/Ti 3.5%/B 0.07%为核心配方，靠γ′-Ni₃(Al,Ti)沉淀强化+W固溶强化+晶界M₂₃C₆/B复合强化构建体系，密度8.14 g/cm³、长期工作温度≤750℃、瞬时上限850℃，典型特征是铸造流动性优良、含γ′相但镍含量仅36%（Fe余量约40%~45%）、制造成本较镍基铸造合金低30%~40%，是国内柴油/内燃机车增压器径流涡轮、中小型燃机/烟气轮机动静电片的主力铁基铸造牌号。需甄别：部分网络资料将其使用上限误标为850℃长期（实为瞬时/涂层态），按GB/T 14992与批产手册，K213长期安全服役上限为750℃，超温须升K418等镍基系。

一、化学成分与显微组织特征

K213的牌号规则中“K”代表铸造高温合金、“213”为顺序编号，旧行业代号K13仍广泛用于增压器图纸，俄系近似牌号为ВЖ36-Л3/ЭИ787Л（GOST），定位是在700~750℃中高温区间用“低Ni+γ′沉淀+W固溶+B晶界”的精简体系替代全镍基铸造合金，兼顾中温强度与经济性。按GB/T 14992-2005/2018及母合金内控标准，典型化学成分（质量分数）为：C ≤0.10%（公称0.07%~0.09%）、Cr 14.0%~16.0%（公称15）、Ni 34.0%~38.0%（公称36）、W 4.0%~7.0%（公称5.5）、Al 1.5%~2.0%（公称1.8）、Ti 3.0%~4.0%（公称3.5）、B 0.05%~0.10%（公称0.07）、Fe余量（约40%~45%）、Si≤0.50%、Mn≤0.50%、P≤0.015%、S≤0.015%，Co/Mo/Nb不主动添加（杂质Mo≤0.3%）。

各元素功能分工明确：Fe+Ni构成面心立方γ奥氏体基体，Ni 36%确保γ相在−60~850℃区间稳定、无δ-铁素体析出，Fe余量压低原料成本并降低密度（较全镍基~8.3降2%）；Cr 15%提供基础抗氧化与抗热腐蚀能力，750~800℃表面形成连续Cr₂O₃膜，但因Cr低于20%，长期抗氧化性弱于K211/Cr20系，需涂层补偿；W 5.5%为主要固溶强化元素，原子半径较Fe/Ni大18%~22%，溶入γ引起强晶格畸变，是中温蠕变抗力的第二支柱；Al+Ti合计5.3%~6.0%（Ti/Al≈2:1）是强度主源——形成γ′-Ni₃(Al,Ti)（L1₂有序面心立方）沉淀相，体积分数约15%~20%，与γ基体共格/半共格，提供沉淀强化；C ≤0.10%用于晶界M₂₃C₆（Cr₂₃C₆为基，W/Fe/Ni置换）骨架，过量（＞0.15%）引发块状碳化物聚集与缩松；B 0.07%偏聚晶界填充空位、抑制蠕变空洞，使750℃持久塑性由＜2%提至4%~5%，过量则生成Cr-Fe-W-B脆性相沿晶分布。

熔炼采用真空感应炉熔炼+浇注为母合金圆棒（φ30~175×250~1200 mm），铸件通过熔模精密铸造获等轴晶组织，铸态晶粒ASTM 1~3级（0.5~3 mm），晶界呈断续网状。显微组织由四相构成：① γ-Fe-Ni奥氏体基体（面心立方，无有序化）；② 晶内+晶界弥散γ′-Ni₃(Al,Ti)（方形/球形，尺寸0.1~0.5 μm，铸态+标准热处理后均匀分布）；③ 晶界M₂₃C₆型碳化物（块状/短棒断续网）；④ 微量硼化物点状沿晶。与K211（无γ′、纯固溶+碳化物/B）的本质差异是引入γ′沉淀相——这使750℃强度较K211提升约15%~20%，但组织复杂度上升、长期时效需监控Laves/η相。与镍基铸造K418（Ni≈78%、Cr≈12%、γ′≈55%）对比：K213的γ′体积分数仅15%~20%、Ni减半，高温强度上限受限，但成本降30%~40%、密度降2%、铸造流动性更优。与同系铁基铸造K214（含Mo+V+Nb）相比，K213去掉Mo/V、靠W+Ti/Al简化体系，工艺宽容度更高、批产稳定性更好。长期时效（700℃×2000 h）后仅析出微量Laves相（Fe₂W型），无σ/μ等TCP相脆化，组织稳定性优于高Fe/Ni比的铁基γ′合金。

二、物理、力学与工艺性能

物理性能：密度8.14 g/cm³，低于全镍基铸造（8.2~8.5）、高于纯铁基（7.8~7.9），旋转件（增压涡轮）减重效益优于镍基。熔点固相线≈1324℃、液相线≈1361℃，初熔温度高于工作温度约570℃，组织安全裕度充足。室温弹性模量≈196 GPa，700℃降至≈150 GPa，750℃≈140 GPa。热导率100℃≈10.9 W/(m·K)、700℃升至≈18~20 W/(m·K)，低于镍基K418（≈22~25），叶片壁厚温差需靠气膜孔补偿。线膨胀系数20~700℃≈12.0~12.4×10⁻⁶/K（20~750℃≈12.5×10⁻⁶/K），低于镍基（≈14~16）和不锈钢机匣（≈17~18），与涡轮盘（GH2036/GH2132，α≈12~13）匹配良好，减少连接部位热应力。室温电阻率≈1.10~1.20 μΩ·m。比热容≈450 J/(kg·K)。

力学性能：标准热处理为1100℃±10℃×4 h空冷（部分厂家采用1180℃×2~4 h空冷固溶+800℃×16 h空冷时效），铸态试棒典型值：室温σ_b≥750~800 MPa、σ_0.2≥550~600 MPa、δ₅≥3%~5%、HBS≈325。高温性能为设计核心：700℃ σ_b≥628 MPa、σ_0.2≥450 MPa、δ₅≥6%、ψ≥10%；750℃ σ_b≥588 MPa、σ_0.2≥400 MPa、δ₅≥4%、ψ≥8%；800℃ σ_b≈450~480 MPa、δ≈3%。持久性能：700℃/490 MPa≥40 h（典型60~80 h）、δ≥5%；750℃/373 MPa≥80 h（典型80~120 h）；700℃/295 MPa可达200 h+；800℃/200 MPa≈30~50 h。蠕变阈值（700℃/100 h产生0.2%塑性）≈350~380 MPa。与K211对比：700℃σ_b相当（628 vs 650）、但750℃σ_b反超（588 vs 500）、持久（750℃/370 MPa）由K211的缺失档提升至≥80 h，γ′沉淀的贡献在中温段显著。与K418对比：700℃σ_b K418≈720 MPa、持久（700℃/490）≈60 h，绝对强度高15%~20%，但K213成本低30%~40%。

抗氧化与热腐蚀：750℃静态空气中氧化增重＜0.05 mg/cm²·h，1000 h Cr₂O₃膜厚＜30 μm；800℃长期氧化稳定；850℃瞬时/涂层态可行，900℃以上Cr₂O₃挥发+尖晶石化加速。未涂层850℃/100 h氧化增重10.19~11.04 g/(m²·h)，渗Cr-Al后可压至0.51~0.90、渗Cr至0.29~0.40；900℃熔盐失重未涂层163~331 g/(m²·h)，渗Cr-Al降至8~9。抗热腐蚀（含Na₂SO₄燃气）弱于Cr≥20%的K211/钴基系，海洋/高硫燃油工况须配渗Al/MCrAlY涂层。耐硫化：含S劣质燃料中Cr₂O₃+表面硫化物钝化层可部分抑制，但不及高Cr系。静态工业大气/排气环境年腐蚀＜0.01 mm/a。

热处理与工艺特性：标准热处理1100℃×4 h空冷即可激活γ′均匀析出+晶界碳化物重整，无需复杂多级时效，生产质控成本低；部分高性能批产采用1180℃×2~4 h空冷+800℃×16 h空冷的强化版，持久寿命提升15%~20%。铸造性能是K213最大优势：流动性优良（螺旋流动＞450 mm）、热裂倾向低、缩孔集中可控，适合熔模精铸带叶冠/复杂气道的径流涡轮、空心导向叶；线收缩1.8%~2.2%，补缩冒口设计成熟。焊接性中等：可与40Cr、18CrNiWA等摩擦焊连接（增压器转子-轴常用此工艺），TIG/MIG熔焊需预热150~200℃+焊后800℃×2 h去应力，异种熔焊易生裂纹，大修以整体更换为主。切削加工：硬度HBS 325、加工硬化明显，榫头/安装边用YG8/YG15硬质合金或陶瓷刀，低速大进给+极压液。不可锻造/热轧，仅铸态/精铸后机加工供货。

三、工程应用与选型设计要点

K213的工程定位精准——“中高温（700~750℃）、转动/静止中载、γ′强化、成本敏感”的增压/中小燃机热端构件，应用谱系围绕涡轮转子与叶片展开：

柴油机/内燃机车径流增压涡轮（核心应用）：是K213最大用量场景。1965—1998年间国内已批产油罐车/汽车柴油机径流式增压器近10万台、内燃机车轴流增压器20万+台，转子叶轮直径φ50~200 mm、工作温度650~750℃、转速3万~8万rpm、离心应力200~350 MPa，正好匹配K213“γ′中温强度+密度8.14+铸造流道一体化”特征。典型机型覆盖16V240/12V180/6150系列机车、CA6110/6105车用增压器的一级涡轮叶轮，单台1件（径流）或多级（轴流）。设计要点：轮背应力按750℃σ_eq≤300 MPa校核、低周疲劳（启动-停车）按5000~10000循环设计、轮毂-轴连接采用摩擦焊（K213涡轮+40Cr/18CrNiWA轴），叶型表面无涂层（车内排气温度≤750℃）或薄渗Al（船用/高硫燃油）。

燃气轮机/烟气轮机动静叶片：工业发电燃机（E级/F级二三级导向/末级动叶）、炼化裂解装置烟气能量回收透平（烟机）的动叶/静叶/导向器，工作温度700~750℃、含尘/含硫烟气环境，K213靠γ′强度+成本优势替代部分镍基叶片。国内石化系统烟机批装数万件，单台用量20~80片；海洋平台/管输增压燃机的一级导向叶亦大量采用。与K418相比，大批量中小件（＜50 kg）的精铸合格率K213高5%~8%、母合金成本降30%。

航空辅助动力/小型涡轮：直升机APU、巡航弹涡喷、无人机动力的径流涡轮/导向叶，批量大、成本敏感、工作温度≤750℃，K213是经济首选；部分二代改型航发辅助增压器亦沿用。

工业耐热构件：热处理炉辐射管接头、增压器壳体、排气歧管耐热镶块、玻璃成型模镶件，利用中温强度+抗氧化+较低成本，替代更高档镍基铸件。

选型禁忌与替代路径：第一，K213不可用于＞750℃长期/＞850℃瞬时（无涂层），转动件超温升K418/K419（γ′镍基）或单晶DD系列；第二，Cr仅15%使抗海洋/高硫热腐蚀弱于K211/Cr20系，海工/高硫燃油须配渗Al/Cr-Al或MCrAlY涂层；第三，焊接修复仅限摩擦焊同质/异质轴连接，熔焊大修可靠性低，关键转动件建议整体更换；第四，长期时效（＞2000 h/700℃）会析出微量Laves，设计寿命＞30000 h的航机主涡轮不推荐，改镍基；第五，采购以GB/T 14992成分（Ni 34~38%、Cr 14~16%、Al+Ti 5.3~6.0%）为判据，警惕将“850℃长期”误标（实为瞬时/涂层）。供货形态以母合金棒φ30~175 mm、精铸件（径流涡轮/导向叶/烟机叶片）为主，不接受变形材订货。

总结

K213（K13）是GB/T 14992认定的铁-镍-铬基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，成分配方为Fe余量+Ni 36%+Cr 15%+W 5.5%+Al 1.8%+Ti 3.5%+B 0.07%，γ奥氏体基体+γ′-Ni₃(Al,Ti)（15%~20%）+晶界M₂₃C₆+微量硼化物四相组织，密度8.14 g/cm³、长期工作温度≤750℃（瞬时850℃）、室温σ_b≥750 MPa、700℃σ_b≥628 MPa、750℃/373 MPa持久≥80 h，核心特征是引入γ′沉淀强化却将Ni压至36%/Fe提至40%+，铸造流动性优、成本较镍基铸造降30%~40%。其工程角色精准定位于柴油机/内燃机车径流增压涡轮、工业/烟机动静叶片、APU小型涡轮及中温耐热工装三类场景，是靠“低Ni+γ′+W+B”精简体系替代全镍基的典型经济型中温热端材料。设计选材须以GB/T 14992成分+750℃长期/850℃瞬时为判据，规避“850℃长期”误标；径流转子须配摩擦焊轴连接+叶型涂层（高硫/海洋工况），工作应力按750℃≤300 MPa校核，从而在经济性、中温强度与铸造批产稳定性间取得最优平衡。