K401合金（旧牌号K1，ISC C74010）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》认定的镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，以Ni为基体、Cr 15.5%/W 8.5%/Al 5.0%/Ti 1.75%为核心配方，靠γ′-Ni₃(Al,Ti)沉淀强化（体积分数35%~45%）+W固溶强化+晶界M₂₃C₆/MC碳化物+B晶界改性构建体系，密度8.0~8.2 g/cm³、长期工作温度≤900℃、瞬时上限950℃（抗氧化上限950℃），典型特征是我国1958年自主研制的第一种镍基铸造高温合金（张祖谦团队在苏联专家格兹吉扬、铸造专家荣科指导下完成），也是国内首款装机于WP6发动机涡轮导向叶片的铸造高温合金，开创了我国铸造高温合金谱系。需甄别：网络部分资料误标为“铁基”“密度9.24”“Fe余量”，按GB/T 14992与航空材料手册，K401为Ni余量（55%~62%）、Fe≤2.0%的镍基系，Cr 14~17%/W 7~10%/Al 4.5~5.5%/Ti 1.5~2.0%/B 0.03~0.10%为正式成分。
一、化学成分与显微组织特征
K401的牌号规则中“K”代表铸造高温合金、“401”为顺序编号，旧代号K1仍见于早期航发图纸与HB 5492等航空标准，是我国铸造镍基合金的“01号”开篇牌号，俄系无直接对应（性能接近苏联ЖС3ДК但W更高），西方近缘为MAR-M302的低W简化版。其成分设计定位清晰——在800~900℃高低温区间，用“中等Cr（15.5%）+高W（8.5%）+高Al（5.0%）+低Ti（1.75%）+低碳”的镍基γ′体系，在Ni余量下实现接近钴基/高镍基的900℃强度，同时靠W大原子固溶+高Alγ′体积分数（35%~45%）补偿Cr偏低带来的抗氧化妥协，是“高γ′+高W”经典第一代镍基铸造型配方。
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%~0.08%）、Cr 14.0%~17.0%（公称15.5）、Ni 余量（55%~62%）、W 7.0%~10.0%（公称8.5）、Al 4.5%~5.5%（公称5.0）、Ti 1.5%~2.0%（公称1.75）、B 0.03%~0.10%（公称0.06）、Fe ≤2.0%、Mo ≤0.30%、Si ≤0.80%、Mn ≤0.80%、P ≤0.015%、S ≤0.010%，Co/Zr/Ce不主动添加（杂质Co＜0.5%）。各元素功能分工明确：Ni余量构成面心立方γ奥氏体基体，保证全温域（−60~950℃）组织稳定及γ′形成能力；Cr 15.5%提供基础抗氧化（900℃以下Cr₂O₃膜）+抗热腐蚀，因Al 5%协同形成Al₂O₃-Cr₂O₃复合膜，实际抗氧化上限可达950℃，但Cr低于K211（20%）/K403（17~20%）使长期高硫海洋环境需涂层；W 8.5%是固溶强化主柱，原子半径较Ni大19%，溶入γ引起强晶格畸变，是850~900℃蠕变抗力的核心（W含量高于同代K403的~4%）；Al+Ti合计6.5%~7.5%（Al/Ti≈2.8:1）是强度主源——Al主导γ′-Ni₃(Al,Ti)形成，高Al使γ′体积分数达35%~45%（同代铁基K214仅25%~30%、K213仅15%~20%），是900℃强度对标/超越同期镍基的关键；Ti偏低（1.75%）利于减少MC型TiC粗大析出、控制铸造偏析；C ≤0.10%用于晶界M₂₃C₆（Cr₂₃C₆为基，W/Ni置换）骨架+少量MC（TiC），过量会引发块状碳化物聚集与缩松；B 0.06%偏聚晶界填充空位、抑制蠕变空洞，使900℃持久塑性由＜1%提至2%~3%。
熔炼采用真空感应炉熔炼母合金+非真空/低真空重熔精铸（早期批产可用非真空感应+保护气氛，高端件真空双联），母合金棒φ30~150 mm；铸件熔模精铸获等轴晶组织，铸态晶粒ASTM 1~3级（0.5~3 mm），晶界断续网状。显微组织由四相构成：① γ-Ni奥氏体基体（面心立方）；② 晶内+晶界弥散γ′-Ni₃(Al,Ti)（L1₂有序，立方形/球形，铸态0.2~0.8 μm，标准热处理后0.3~0.5 μm均匀分布），枝晶间伴生γ-γ′共晶；③ 晶界M₂₃C₆型碳化物（块状/短棒断续网）+晶内/枝晶间零星MC（TiC，方形）；④ 微量硼化物点状沿晶。与同代镍基K403（Cr 17~20%、W~4%、Co~4%、γ′~45%）对比：K401用W翻倍换Cr/Co下调，900℃持久相当但中温（750℃）强度略低、成本降10%~15%；与铁-镍基K214（γ′ 25%~30%、Fe余量）对比：γ′体积分数+10~15pct、Ni由42→55+，900℃/200 MPa持久由K214的≥100 h提升至≥120 h，但成本升35%、密度由8.03→8.1。长期时效稳定性：850℃×1000 h无σ/μ/Laves等TCP相析出，γ′仅轻微粗化；＞900℃长期才会γ′回溶粗化+晶界碳化物球化，故900℃为长期红线。
二、物理、力学与工艺性能
物理性能：密度8.0~8.2 g/cm³（典型取8.10），低于钴基系（8.3~8.7）、与镍基K403/K418相当，旋转/静止件较铁基K214（8.03）略增但仍在同档。熔点固相线≈1320℃、液相线≈1360℃，初熔温度高于工作温度约420℃，组织安全裕度充足。室温弹性模量≈196~206 GPa，700℃≈150 GPa，850℃≈135 GPa，900℃≈120 GPa。热导率300℃≈12.5 W/(m·K)、800℃≈22~24 W/(m·K)、900℃≈26 W/(m·K)，低于定向/单晶镍基（≈28~32），导向叶壁厚温差需气膜孔补偿。线膨胀系数20~800℃≈15~16×10⁻⁶/K、20~900℃≈16.5×10⁻⁶/K，与GH4033/GH4169涡轮盘（α≈14~15）匹配需过渡环，与不锈钢机匣（≈17~18）匹配良好。室温电阻率≈1.20~1.30 μΩ·m。比热容≈460 J/(kg·K)。
力学性能：标准热处理为1150~1180℃×2~4 h空冷（固溶均匀化+γ′回溶）+800℃×16 h空冷（时效析出），铸态试棒典型值：室温σ_b≥900~940 MPa、σ_0.2≥650~680 MPa、δ₅≥6%~10%、ψ≥8%~12%、HBS≈320~340（换算HRC 30~34）。高温性能为设计核心：700℃ σ_b≥750 MPa、σ_0.2≥550 MPa、δ≥8%；800℃ σ_b≥650 MPa、σ_0.2≥480 MPa、δ≥5%；850℃ σ_b≥580 MPa、σ_0.2≥420 MPa；900℃ σ_b≥480~500 MPa、σ_0.2≥350 MPa、δ≥2.5%~3%。持久性能是K401标志性指标：800℃/300 MPa≥50 h（δ≈3%）；900℃/200 MPa≥120 h（δ≈2.5%）、与K214（200 MPa/100 h）持平略优；900℃/100 MPa≥300~350 h；950℃/60 MPa≈50~70 h。蠕变阈值（900℃/100 h产生0.2%塑性）≈140~160 MPa。与K214对比：室温/700℃强度高10%~15%、900℃持久略优，但塑性更低（δ₃% vs 2.5%）、成本升35%；与K403对比：900℃持久（200 MPa）K401≈120 h vs K403≈150 h，绝对强度低15%~20%，但K401铸造流动性更优、薄壁导向叶合格率高5%~8%。
抗氧化与热腐蚀：900℃静态空气中氧化增重＜0.08 mg/cm²·h，1000 h Cr₂O₃+Al₂O₃复合膜厚＜40 μm；950℃瞬时/涂层态可行，1000℃以上Cr₂O₃挥发+尖晶石化加速，故长期上限锁900℃、抗氧化上限950℃。抗热腐蚀（含Na₂SO₄燃气）弱于Cr≥17%的K403/钴基X-40，海洋/高硫燃油工况须配料浆渗Al或MCrAlY涂层；未涂层900℃/100 h氧化增重≈0.08 mg/cm²·h，渗Al后压至＜0.02。耐硫化：含S劣质燃料中Cr₁₅+Al₅复合膜可部分钝化，但高硫/海洋必涂层。静态工业大气/排气年腐蚀＜0.01 mm/a。
热处理与工艺特性：标准热处理1180℃×2~4 h空冷+800℃×16 h空冷，使γ′均匀立方化（0.3~0.5 μm）；部分批产采用1150℃×4 h+800℃×16 h双级，持久寿命+10%。铸态可直接用于导向叶（低离心载），高性能件必做热处理激活γ′。铸造性能是K401核心优势：流动性优良（螺旋流动＞500 mm）、热裂倾向低、缩孔集中可控，适合熔模精铸薄壁空心导向叶、带复杂气膜孔件；线收缩1.8%~2.2%，补缩成熟——这也是1958年选其作首款铸合金的工艺理由（相较K403流动性更优、薄壁合格率更高）。焊接性较差：不可熔焊修复，局部缺陷微束TIG+同质丝（热输入≤0.5 kJ/mm）+焊后时效，异种熔焊易裂，大修整体更换；不与异种钢直接焊（膨胀失配+脆性相）。切削加工：硬度HBS 320+、碳化物/γ′加工硬化明显，榫头用YG8/YG15或陶瓷刀，低速大进给+极压液。不可锻造/热轧，仅母合金棒+精铸件供货——网络“板带管变形材”为商业化误标（母合金棒重熔浇铸用，非变形材）。
三、工程应用与选型设计要点
K401的工程定位精准——“高低温（800~900℃）、静止/低离心载、高γ′+高W、我国首款镍基铸合金”的导向/静止热端构件，应用谱系围绕涡轮导向叶片展开：
航空发动机涡轮导向叶片（核心应用/历史地位）：WP6、WP7、涡桨5/6等二代/二代改型发动机的一级/二级导向器叶片（NGV）是K401标志性装机场景。1958年研制成功后即装机WP6，是我国铸造高温合金“从0到1”的里程碑；叶片工作温度800~900℃（气膜冷却维持）、载荷以热应力+气动弯矩为主、离心载低，匹配K401“高γ′强度+铸造成形+流动性优”特征。单台用量20~60片，累计批产装机数万台，服役验证超60年。设计要点：叶型按850℃等效应力≤120 MPa校核、热循环（启动-停车）按1000次设计、表面必施料浆渗Al（Cr₁₅Al₅复合膜不足需涂层补偿）；叶型壁厚≥1.5 mm避免缩松。
工业/舰用燃气轮机导向器：工业发电E级/F级二三级导向、石化烟机导向叶、管输增压燃机静止叶片，工作温度800~900℃、含尘/含硫烟气，K401靠γ′+W强度+成本优势替代部分高Cr镍基。单台30~80片，国内发电/石化批装；海洋平台必加渗Al+封孔。
辅助动力/特种涡轮静止件：直升机APU、巡航弹涡喷、无人机动力导向叶/喷嘴环/涡轮外环，批量大、成本敏感、≤900℃，是经济首选；燃烧室尾喷口衬套、高温耐热法兰亦用此料。
历史/教学价值件：航空材料史陈列、高温合金教学试样、铸造工艺验证件——作为我国第一种镍基铸合金，其成分-组织-性能对应关系是我系高温合金教学的经典案例。
选型禁忌与替代路径：第一，K401不可用于转动涡轮叶（离心＞300 MPa+850℃蠕变+低δ₂.5%断裂风险），替代为K403/K418/K419或单晶DD；第二，不可用于＞900℃长期/＞950℃瞬时（无涂层），超温升K403（1000℃导向）/K418（900℃工作）；第三，Cr仅15.5%使抗海洋/高硫热腐蚀弱于K403/Cr17+系，海工/高硫必配渗Al/MCrAlY；第四，不可锻/轧/冷拉，供货仅母合金棒φ30~150 mm+精铸件（导向叶/喷嘴环/外环），变形材需求改GH4169/GH4033；第五，室温塑性δ₆%~10%但仍低于变形合金，设计避免尖角/缺口；第六，采购以GB/T 14992成分（Ni余量55~62%、Cr 14~17、W 7~10、Al 4.5~5.5、Fe≤2.0%、ρ=8.0~8.2）为判据，剔除“铁基/Fe余量/密度9.24”误标。部分商业目录将变形高温合金/耐蚀合金参数套用于K401（如标密度9.24、Fe余量、可供板带管），实为混淆，K401仅以母合金棒+精铸件交付。
总结
K401（K1）是GB/T 14992认定的镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，成分配方为Ni余量（55~62%）+Cr 15.5%+W 8.5%+Al 5.0%+Ti 1.75%+B 0.06%，γ奥氏体+γ′-Ni₃(Al,Ti)（35%~45%）+晶界M₂₃C₆/MC+微量硼化物四相组织，密度8.0~8.2 g/cm³、长期工作温度≤900℃（抗氧化上限950℃）、室温σ_b≥900 MPa、900℃σ_b≥480 MPa、900℃/200 MPa持久≥120 h，核心特征是我国1958年自主研制的第一种镍基铸造高温合金（张祖谦团队/苏联专家格兹吉扬+荣科指导）、γ′体积分数35%~45%+W 8.5%固溶、铸造流动性优于同代K403、成本较K403低10%~15%。其工程角色定位于WP6/WP7/涡桨系列导向叶片、工业/舰用燃机导向器、APU/特种涡轮静止件三类场景，是靠“中Cr+高W+高Al+低Ti”镍基γ′体系实现900℃级强度的第一代经济型铸合金。设计选材须以GB/T 14992成分+Ni余量/Fe≤2.0/ρ=8.1为判据，规避“铁基/Fe余量/变形材/密度9.24”误标；导向叶必配渗Al/MCrAlY涂层，工作应力按850℃≤120 MPa、避免缺口集中，从而在首代镍基强度、铸造批产性与历史传承价值间取得唯一性定位。
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