高溫合金又稱耐熱合金或超合金，它是現(xiàn)代航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、燃氣輪機和化工設備所必不可少的重要金屬材料?？稍?00～1100℃的氧化和燃氣腐蝕條件下，承受復雜應力，并且能夠長期可靠地工作。我國的高溫合金系列，有變形高溫合金近50個牌號， 其表示方法主要根據(jù)國家標準GB/T 14992—2005 的規(guī)定，以漢語拼音字母“GH” 作前綴，后接四位阿拉伯數(shù)字， “GH” 后第二、三、四位數(shù)字表示合金的編號，第一位表示分類號，即1—表示固溶強化型鐵基合金；2—表示時效硬化型鐵基合金；3—表示固溶強化型鎳基合金；4—表示時效硬化型鎳基合金；5—（空）；6—表示鈷基合金。 目前，在變形高溫合金中，應用最廣泛的是鐵基高溫合金和鎳基高溫合金。 鐵基合金較多的用作渦輪盤、壓氣機盤、承力環(huán)燃燒室和葉片，其成分特點以鐵為主，含有大量的鎳、鉻和其他元素。按其強化特點又可分為弱時效硬化型、固溶強化型、碳化物時效硬化型和金屬間化合物時效硬化型。 鎳基合金較多的用于制造渦輪葉片，燃燒室、渦輪盤，壓氣機盤和壓氣機葉片，其成分特點是以鎳基，含有ω（Cr）為10%～20%，形成鎳鉻奧氏體基體。 此外，部分合金還含有ω（Co）10%～20%，形成鎳鉻鈷奧氏體基體。根據(jù)其強化類型，可分為固溶強化型和時效強化型。
高溫合金的性能主要取決于合金的成分和組織結(jié)構(gòu)。組織結(jié)構(gòu)中尤為重要的是析出相的類型、結(jié)構(gòu)、形狀、大小、數(shù)量和分布等。在鐵基和鎳基合金中常見的析出相有金屬間化合物、碳化物和硼化物。所有這些化合物都可以通過熱處理進行調(diào)節(jié)和控制，還可以通過變形改變形貌和分布。 變形高溫合金的熱處理一般有固溶處理、中間處理（又稱二次固溶處理） 和時效處理構(gòu)成。固溶處理的目的是要獲得均勻的過飽和固溶體，控制適宜的晶粒度；中間熱處理的目的是改變碳化物的狀態(tài)和得到大小不同的兩種不同的γ′相；時效處理的目的是使強化相充分而均勻地析出，實現(xiàn)沉淀硬化的效果，其溫度、時間和次數(shù)的選擇，要以得到強化相的多少、形貌和分布適宜為準則。 變形高溫合金熱變形過程中的核心是工藝塑性和臨界變形粗晶問題。 1)塑性低
高溫合金由于合金化程度很高，具有組織的多相性且相成分復雜，因此，工藝塑性較低。特別是在高溫下，當含有S、Pb、Sn 等雜質(zhì)元素時，往往削弱了晶粒間的結(jié)合力而引起塑性降低。 高溫合金一般用強化元素鋁、鈦的總含量來判斷塑性高低，當總含量≥6% 時，塑性將很低。鎳基高溫合金的工藝塑性比鐵基高溫合金低。高溫合金的工藝塑性對變形速度和應力狀態(tài)很敏感。有些合金鑄錠和中間坯料需采用低速變形和包套鐓粗，包套軋制，甚至包套擠壓才能成型。 由于高溫合金成分復雜，再結(jié)晶溫度高、速度慢，在變形溫度下具有較高的變形抗力和硬化傾向，變形抗力一般為普通結(jié)構(gòu)鋼的4～7 倍。 高溫合金與鋼相比，熔點低，加熱溫度過高容易引起過熱、過燒。若停鍛溫度過低，則塑性低、變形抗力大，且易產(chǎn)生冷熱混合變形導致鍛件產(chǎn)生不均勻粗晶。因此，高溫合金鍛造溫度范圍很窄，一般才200℃左右。而鎳基耐熱合金的鍛造溫度范圍更窄，多數(shù)在100～150℃，有的甚至小于100℃。 高溫合金低溫的熱導率較碳鋼低得多，所以，一般在700～800℃ 范圍需緩慢預熱，否則會引起很大的溫度應力，使加熱金屬處于脆性狀態(tài)。 高溫合金由于添加大量的合金元素，在提高耐熱性的同時，卻大大地降低了工藝塑性。高合金化使鑄錠產(chǎn)生嚴重的偏析，生成粗大的柱狀晶。在初生枝晶晶界薄弱環(huán)節(jié)處，往往容易沿晶界產(chǎn)生裂紋。因為存在枝晶偏析，先結(jié)晶部分合金元素含量低，后結(jié)晶的枝晶邊緣部分合金元素含量高，故碳化物和金屬間化合物集中在枝晶邊緣部分，從而降低合金的可鍛性。 高合金化使高溫合金棒材的塑性較普通合金鋼大大下降。因為大量的合金元素富集于晶界區(qū)域，導致高溫時晶界強度低于晶內(nèi)強度，同時許多強化相質(zhì)點在變形溫度范圍內(nèi)并未全部溶入固溶體內(nèi)，如碳化物和硼化物等，使得參與變形的除γ 外 還有強化相，即變形不是在單相狀態(tài)下進行，因此高溫合金軋棒的工藝塑性也比較低。因此，在制定高溫合金鍛造工藝規(guī)程時，首先要測定合金的工藝塑性。 1）確定高溫合金變形溫度的原則
由于高溫合金合金化程度復雜，合金的初熔溫度下降，再結(jié)晶及強化相溶解溫度提高，導致變形溫度愈來愈窄。所以，確定變形溫度時，除了確保工藝塑性，滿足成形外，還必須滿足獲得良好的組織和性能。為了使高溫合金鍛件組織中保留胞狀位錯網(wǎng)絡，獲得細小均勻的晶粒和良好的性能，鍛造變形溫度應低于晶粒長大溫度，終鍛溫度應接近（略高于）第二相質(zhì)點溶入固溶體的溫度和再結(jié)晶溫度。
高溫合金加熱分預熱和加熱兩個階段進行。為了縮短高溫合金在鍛造加熱溫度下的保溫時間，避免晶粒過分粗化和合金元素貧化；同時，為了減少因高溫合金導熱性差、熱膨脹系數(shù)大而產(chǎn)生的熱應力，鍛前毛坯應經(jīng)預熱。預熱溫度為750～800℃，保溫時間以0.6～0.8min/mm 計算；加熱溫度一般為1100～1180℃，保溫時間以0.4～0.8min/ mm 計算。 加熱設備可選用電阻爐，配以測溫儀表和自動調(diào)節(jié)控溫裝置，以便精確控制。當選用火焰爐時，應嚴格控制燃料中的含硫量：柴油或重油中的含硫量應低于0.5%；煤氣中的含硫量應低于0.7g/m3。燃料中的含硫量過多,當其滲入毛坯表面后，會形成Ni-Ni3S3 低熔點（≈650℃）共晶，使合金產(chǎn)生熱脆。 高溫合金精鍛時的加熱，必須采取少、無氧化的加熱措施，避免毛坯表層產(chǎn)生鉻、鋁、鈦等元素的貧化，降低合金的疲勞強度和高溫持久強度。 毛坯預鍛時可采用局部感應加熱。加熱前， 毛坯需經(jīng)過清理， 去除污垢， 避免因受腐蝕而形成表面缺陷。 在用多火次鍛造時，鍛造加熱溫度應隨兩火之間間隔時間的延長而降低， 避免已發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒長大，同時，再加熱溫度也應隨著愈接近鍛件成 高溫合金由于合金化程度高，導致變形溫度范圍狹窄，沒有多大的調(diào)整余度，另外，高溫合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，合金的晶粒度主要受鍛壓變形控制。因此，在變形溫度確定之后，變形程度的選擇就是非常重要的了。在一定的鍛造溫度下，每一加熱火次的變形量應大于臨界變形程度并小于第二個晶粒長大區(qū)相應的變形程度。在滿足工藝塑性和工序安排（預鍛）要求的前提下，每一次變形應深透和均勻，盡力避免不均勻變形，否則會產(chǎn)生帶狀粗晶和局部粗晶。高溫合金的粗晶有一定的遺傳頑固性，當前一次不均勻變形產(chǎn)生的粗晶，在緊接的變形中變形程度沒有達到足夠大時，是難以改變的。為了得到滿意的組織和性能，在終鍛變形時，應取較低的加熱溫度，較大的變形程度，利用沉淀相來控制組織， 改善晶粒大小和晶界狀態(tài)。
除了晶粒度外， 晶界狀態(tài)也是重要的組織因素。從晶界強韌化的觀點出發(fā)， 晶界組織控制有下列規(guī)律： （2）晶界上均勻分布有粗大的γ′相與碳化物， 對合金晶界強韌化有益。 （3）晶界貧化區(qū)內(nèi)存在著應力松弛部位，可使切變抗力減小、應變集中的區(qū)域擴大，因此，當晶界強度過高時，貧化區(qū)起有益的作用。 （4）晶界上形成連續(xù)的薄膜狀碳化物相會使合金產(chǎn)生缺口敏感。 （5）晶界上有胞狀碳化物形成時，對合金晶界強韌化有不利影響。 所以，除了合理的熱處理制度外，在鍛造過程中，通過合理的分配變形量，特別是加大最后一火次的終鍛變形程度，對改善晶界狀態(tài)，晶粒與晶界強度的匹配，獲得良好的組織性能，無疑是非常重要的了。 一般變形高溫合金對臨界變形比較敏感，臨界變形程度通常在較大范圍內(nèi)變化（0.5%～20%），其具體數(shù)值隨合金而異，同一合金不同加熱溫度其臨界變形程度也不同，例如GH4049 合金總的臨界變形程度為0.1%～7%，1150℃時為4%～7%，1180℃ 時為0.1%～3%，GH4220合金總的臨界變形程度為0.6%～4.7%，但是不同鍛造溫度的臨界變形程度、最大晶粒處的變形程度和最大臨界變形粗晶直徑都不盡相同。臨界變形粗晶直徑比正常晶粒要大幾個數(shù)量級，最大的10mm，最小的1mm。 鍛造和隨后熱處理工藝參數(shù)選擇的恰當與否，直接影響鍛件的力學性能。下面列舉了各種合金的試驗結(jié)果，以供熱加工工藝參數(shù)選擇時參考。 GH2036 合金渦輪盤模鍛前允許的加熱溫度為1190℃。若在1220℃加熱2h，其拉伸和沖擊試樣均由穿晶斷裂而變?yōu)檠鼐嗔?，即合金發(fā)生過熱。若在1250℃和1280℃加熱2h，合金的晶界產(chǎn)生局部初熔，即合金發(fā)生過燒。拉伸試樣和沖擊試樣均產(chǎn)生沿晶斷裂，合金的全面性能下降。GH2036 合金高溫加熱對性能的影響，合金的沖擊、拉伸和持久性能隨加熱溫度的升高而惡化。 當終變形程度為25%時，終變形溫度控制在900～955℃可消除缺口敏感性，終變形溫度提高，會使合金的晶粒變成不均勻并降低其塑性，導致缺口敏感。 較粗大的晶?？商岣叱志脧姸群腿渥儚姸?，而較細小的晶粒則可提高屈服強度和疲勞強度。晶粒大小均勻?qū)辖鸬男阅苡欣?/span>粗晶的斷裂壽命比細晶的明顯縮短。晶粒度對GH4169 合金性能的綜合影響， 細化晶粒會使合金的屈服強度和疲勞強度明顯提高，但卻降低600℃以上溫度的疲勞強度。對合金持久強度的影響則取決于斷裂形式（穿晶或沿晶斷裂），即與合金的等強溫度有關。4）熱工藝參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶的影響 在變形程度大于30% 的情況下，GH4169 合金在錘或水壓機上鍛造時， 動態(tài)再結(jié)晶開始溫度大致在930～960℃之間，等溫鍛造時，大致在930～ 940℃。 提高鍛造溫度、增大變形程度，采用較高或較低應變速率以及應用多次變形均有利于GH4169 合金的動態(tài)再結(jié)晶。
