1、引言

高溫合金是20世紀30年代后期發(fā)展起來的一種新型航空金屬材料，國外率先研究高溫合金。英國對電熱絲材料進行了成分改性，在80Ni-20Cr基礎上加了少量 Al 和Ti，形成強化相相，學者為了進一步提高鎳基合金高溫強度，在合金中加入了W、Mo、Co等元素，同時增加了Al 和Ti 的含量，成功研發(fā)了Nimonic系列合金。蘇聯研制了KC-6K合金，美國研制了Inconel合金，用以制作內燃機]。

我國于20世紀60年代開始研發(fā)變形高溫合金，通過設計成分配比、改型研究、優(yōu)化工藝等，深入研究合金強化相的組織和性能，成功研制出了其性能與美國Inconel 718性能相仿的高溫合金，牌號為GH4169，被稱為“發(fā)動機的心臟”。GH4169是一種析出強化型鎳基變形高溫合金，具有面心立方結構，以奧氏體為基體相，以體心立方"（NisNb）為主要強化相，以面心立方（Nis（A l、Ti、N b））為輔助強化相，相和碳化物等組成[2]。在-253～650℃具有優(yōu)良的高溫強度、蠕變抗力、高溫疲勞強度和抗氧化、耐腐蝕性能，被廣泛的應用于航空航天、汽車、核能、石油化工等領域，如圖1所示。為滿足這些領域在高溫持久蠕變、抗疲勞性能等方面提出的更高要求，科研人員對GH4169在合金成分的優(yōu)化設計、制備方法、冶煉工藝、組織和力學性能等方面開展了大量的研制工作[3]隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，國內高溫合金總需求從2萬噸增加至6.2萬噸，供給從1.3萬噸增加至3.8萬噸。雖然國內高溫合金供給大幅增長，但是從供需差距來看，高溫合金供需矛盾仍未明顯改善，我國高溫合金需求缺口比例從2014年的35% 增加至2023年的45% 。替代進口是國內高溫合金行業(yè)面臨的首要問題之一。因此研制一材多用，且具有更高熱強性的高溫合金，對我國航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義[4]。

2、GH4169高溫合金高純、低偏析冶煉工藝

高溫合金多用于高轉速、高強度、高溫等苛刻的環(huán)境下，還要求具有長壽命、高可靠性，把對材料性能和制造技術的要求規(guī)定到了極限[5]。航空發(fā)動機GH4169材料被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”。GH4169合金成分較多，既有活潑的Al、Ti、B元素，還有高密度的Mo、N b、C r等元素。提高高溫合金純凈度的源頭就是熔煉，但是傳統冶煉方法已經不能滿足其生產[6]。目前采用的冶煉工藝有真空感應熔煉、電渣重熔、真空自耗重熔，將上述熔煉工藝與真空感應熔煉進行組合，可形成雙聯熔煉工藝（VIM+VAR）和三聯熔煉工藝（VIM+PESR+VAR）[7]。雙聯熔煉工藝利弊共存，當生產大型鋼錠時不能滿足GH4169高溫合金的極限要求。因此學者開發(fā)出了三聯熔煉工藝，使熔煉技術達到了沒有縮孔、組織致密、純潔度高的水平，將偏析控制到了理想范圍。

目前，關于GH4169合金的研究主要集中在超純、超細化、高均質以及低偏析的熔煉技術方面。真空熔煉過程中鋁鈦燒損問題，及夾雜問題成為了突破的關鍵技術。撫順特鋼、寶特、北京鋼研院和西部超導等關于夾雜問題進行了大量的研究，研究發(fā)現，在真空熔煉過程中通過改變鋁鈦加料順序，增加攪拌時間，可有效減少鋁鈦燒損，提高了合金純度和均勻度。為了減少夾雜物，學者開發(fā)了真空級脫氣鉻，主要應用于高溫合金材料的熔煉制備。西安鋼研不僅在加料方法方面進行了調整，還研究了原材料和出鋼溫度對成分偏析的影響，減少了Laves 相，極大地提高了成品合格率。

真空感應熔煉（VIM）技術可更有效地排出有害雜質及氣體，合金元素的收得率高，可精確控制合金成分[8]。強烈的感應攪拌作用，對加速治金反應速度、均勻成分與溫度都十分有效，低熔點、容易揮發(fā)的金屬雜質（如 Pb、Sn、Sb等）能揮發(fā)去除。VIM鑄錠存在縮孔、夾渣、疏松和裂紋等缺陷，這些缺陷將會導致真空自耗的熔速、電壓、電流等參數不穩(wěn)定，最終影響鑄錠質量[9]。在進行GH4169合金熔煉時，應選用氧化鈣堝，CaO堝具有脫除有害元素O和S的作用。在中間包中放置陶瓷濾網可有效去除夾渣物，凈化合金，但是容易堵包，因此對熔煉工的技能要求較高。楊玉軍[10]等人研究了真空感應熔煉爐在冶煉高溫合金時的脫氧工藝，延長熔化期，采用高溫全熔低溫精煉，可降低氧含量，同時，在精煉期加入Al、C a精煉30min可將氧含量快速降低到10個ppm以下。

馮晗旭[11]等人研究了原材料對合金夾雜物的影響，GH4169合金夾雜物主要有氧化物（Al，Mg，Ca）O 、碳氮化物和復合夾雜物（Ti，Nb）（C ，N ），氧化物夾雜呈圓形，碳氮化物呈不規(guī)則多邊形。隨著鉻純度的提高，只有氧化物夾雜存在。

重熔精煉技術能夠改善合金結晶組織，相比于VIM澆注的電極，組織更加均勻致密、純潔度高、內應力小。在凝固過程中，合金的液固相擴散受空間限制，可有效避免成分偏析，同時可以獲得趨于軸向的結晶組織。氣氛保護電渣重熔（PESR）脫S去O效率高達80% ，可將0、S含量分別從15個ppm、17個ppm降到3個ppm、4個ppm。王林[12]等人研究了不同電流對電渣重熔的影響，結果表明重熔后的夾渣物主要是NbC等富Nb夾雜相和少量TiN，電流增大夾雜物和δ相占比增加，強度下降，塑性增加。陳國勝[13]研究發(fā)現氬氣保護電渣重熔（PESR）過程中C、Si含量略增，Al和Ti含量有燒損，具有良好的脫S去O的效果。近幾年，關于電渣重熔工藝C元素的燒損問題學者進行了大量研究，發(fā)現電極錠底部燒損最嚴重，主要集中于引弧階段，氬氣保護電渣重熔在引弧階段易上下震動，以及存在未排出去的氧氣，因此引起了碳化反應。

真空自耗重熔（VAR）沒有渣池，通過氮氣加強冷卻，使熔池底部形成良好的扁平狀，晶粒的生長方向趨于軸向，熔池溫度分布更加均勻，同時真空自耗重熔能夠將一些蒸氣壓高的N和H去除，不僅能夠避免宏觀偏析和夾雜，還能極大降低微觀偏析。劉艷梅[14]等人研究了GH4169合金VAR鑄錠中Nb偏析的計算，分析了不同凝固階段 Nb 偏聚的速度。張月紅[15]等人研究了氫氣冷卻強度對VAR鑄錠鑄態(tài)組織的影響，研究結果表明，低氨和高氨冷卻錠中心組織呈現等軸晶特征，鑒于二者之間的氨氣強冷，熔池變淺，呈現人字形柱狀晶。劉艷梅[16]等人研究了VAR熔速對顯微疏松形成規(guī)律的影響，顯微疏松從邊緣到心部先減少再增多，極冷層疏松是由噴濺物、夾雜等雜質引起的，鑄錠邊部的疏松邊界圓滑，是由氣泡導致的。當熔速增大時，熔池變深，偏析嚴重，補縮通道易堵塞，因此會導致更多的顯微疏松。目前，學者對于黑斑和白斑的形成進行了研究，發(fā)現降低自耗熔速可減少黑斑，減小填充比可減少白斑。

3、GH4169合金均勻化擴散退火和熱處理工藝

GH4169高溫合金中Nb元素含量高，極易偏析，負偏析形成白斑，正偏析形成黑斑，澆注鋼錠的時候極易偏析形成Laves 相，Laves 相過多會導致后續(xù)的自耗熔速不穩(wěn)定及鍛造開裂等嚴重問題。因此，學者開展了均勻化擴散退火工藝研究，消除顯微偏析，使合航天制造技術金元素均勻的分布在奧氏體基體中。均勻化擴散退火溫度和時間主要由Nb元素含量決定，在均勻化擴散退火過程中必須防止Laves 相液化,在Laves 相回溶溫度范圍進行長時間保溫，使Nb元素回溶到奧氏體基體中，目前學者經過大量試驗，證明回溶時間不低于30hl"7]。回溶后的均勻化溫度和時間學者進行了研究，優(yōu)化了均勻化溫度和時間，使相在后續(xù)的鍛造過程中均勻析出。

GH4169高溫合金的微觀組織對熱處理工藝具有較強的敏感性，研究并掌握高溫合金中強化相及相的固溶和析出規(guī)律具有重要意義，根據不同的使用要求對工藝進行合理調整，可以獲得不同強度的合金工件。

GH4169合金熱處理工藝分為高溫固溶處理+低溫時效處理和直接時效處理兩種，根據GH4169TTT曲線，固溶處理溫度范圍為950～980℃，保溫1h，可根據相數量確定固溶溫度。時效處理采用空冷雙極二段時效制度。固溶處理可使強化相溶入基體，形成單一固溶體組織。時效處理的目的是使強化相均勻、彌散析出。相溶解溫度范圍為980～990℃，析出溫度為750～960℃，析出峰溫度在900～940℃之間，δ相析出過多會消耗Nb元素，導致"貧化。杜金輝[181]等人研究了熱處理對GH4169合金組織和性能的影響，固溶處理和時效處理不影響晶粒尺寸，但是隨固溶溫度升高相析出會減少，晶界析出相可提高變抗裂能力。時效處理可控制"和析出，720℃時效可析出"強化相，620℃時效析出輔助強化相。"相呈圓盤狀，平均尺寸為20～30nm，呈球狀，平均尺寸為10nm。田素貴[19]研究了直接時效處理和長期時效處理對GH4169G合金相的影響，研究結果表明，直接時效處理合金由少量"相、大量相和基體組成，長期時效處理合金相組成剛好相反。盧威[20]研究了固溶溫度和時間影響合金晶粒度、δ相和硬度的規(guī)律。當固溶溫度960～1020℃時，δ相完全回溶，靜態(tài)再結晶完成，混晶消失，晶粒長大，繼續(xù)延長時間對相沒有影響。

固溶溫度960～975℃時，硬度基本不變，固溶溫度975～1020℃時，硬度逐漸減小。譚海波[21]等人研究了熱處理工藝對合金組織和拉伸性能影響，研究發(fā)現，冷卻速率對性能影響很小，延長620℃保溫時間還可以繼續(xù)析出強化相。

4、GH4169合金大變形量鍛造技術

δ相數量和形態(tài)主要取決于鍛造。鍛造的初鍛、終鍛溫度和變形量對相形貌、數量和晶粒均勻度有較大影響，δ相主要有針狀、短棒狀、顆粒狀和魏氏體狀，為了獲得更多的短棒狀相，需要將終鍛溫度控制在930℃以上，δ相溶解溫度以下，使其發(fā)生動態(tài)再結晶反應。王冠強[2]等人、劉東[23]等人研究發(fā)現 GH4169合金鍛件在終鍛溫度低、變形小的情況下會出現混晶組織，可通過低于相的溶解溫度進行再結晶熱處理消除混晶組織。還有學者提出雙級退火能夠有效均勻細化混晶組織，王春光[24]等人論述了鍛造和熱處理對合金組織和性能的影響，針狀和短棒狀的相可提高塑性、消除缺口敏感性和細化晶粒，對晶界具有釘扎作用。近幾年學者發(fā)展了相預處理技術，同時，提出了較小的錘擊頻率和較大的變形量，增加棒材中心的應變，采用多次拔和拔長工藝相結合的方法，使變形量控制在60% 以上，最終達到棒材中心和邊緣組織更加均勻的目的。

5、GH4169合金焊接性能

GH4169具有較強的抗應變時效開裂性能，可焊接性優(yōu)異，焊接過程中，采用不同的焊接工藝，焊縫微裂紋、熱影響區(qū)強度和接頭力學性能差別很大。采用固相焊接技術能夠減少焊接缺陷，而采用熔化焊技術，操作簡單，焊接效率更高。最常用的鎳基高溫合金焊接工藝有TIG焊接（鎢極氬弧焊）和MIG焊（熔化極氣體保護電弧焊），近幾年學者研究較多的是電子束焊（EBW）、激光束焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）等[25.26]。采用GH4169合金焊絲可進行GTAW電弧增材制造[27]。

5. 1高能束焊

高能束焊包括激光焊和電子束焊，是一種先進的焊接技術，具有能量密度高、熱影響區(qū)小、變形小、焊縫穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天高端制造領域。采用激光焊對GH4169傳統軋制和增材制造板材進行焊接，板材激光焊接頭焊縫中分布著奧氏體相、棒狀δ相、不規(guī)則塊狀laves 相、細小球狀相。

增材制造板材焊接接頭硬度高于傳統軋制板材，傳統軋制板材焊接接頭斷裂在母材上，屬于韌性斷裂，增材制造板材焊接接頭斷裂在焊縫處，屬于脆性斷裂。

傳統軋制板材焊接接頭拉伸強度低于增材制造板材焊接接頭，但是延伸率高于增材制造板材焊接接頭[28]。焊后熱處理對焊接強度影響較大，郭占英[29]等人研究了熱處理對激光焊接接頭性能的影響，焊后熱處理可析出相，細化laves相，抗拉強度提高52% ，硬度提高69% ，延伸率降低71% 。近幾年，對有關焊后熱處理對接頭強度和硬度的影響，以及對低溫和蠕變性能的影響，開展了大量研究[30~32]。

GH4169合金的電子束焊力學性能優(yōu)良，被公認為是最佳焊接技術。目前關于GH4169 電子束焊的研究逐漸增多，大部分學者研究重點是基本的焊縫組織、接頭力學性能和機械性能等，關于接頭高溫性能研究較少。張校宇[33]等人研究了時效態(tài)GH4169電子束焊的接頭力學性能，試驗結果表明，焊后熱處理可提高焊縫硬度，去除余高可優(yōu)化低周疲勞性能。魏祺[34]等人研究表明GH4169電子束焊接頭在650℃高溫氧化環(huán)境下工作25h，繼續(xù)拉伸性能最佳，超過75h時，機械性能將低于常溫焊接接頭性能，GH4169電子束焊接頭表面會形成致密的氧化膜，可防止合金內部組織進一步氧化。有關研究表明，固溶+時效熱處理對焊接接頭強度有影響。熱處理后接頭硬度分布均勻，高溫下強度可提高 31% [35]。

5.2釬焊

釬焊溫度低于母材固相線，高于釬料液相線，母材變形小，廣泛應用在異種鏈接，釬焊界面處元素擴散、釬料潤濕鋪展性是影響釬焊接頭強度的關鍵因素[36]，關于真空釬焊焊縫中心的組織和性能、微觀結構和力學性能，已有大量研究，采用真空釬焊換熱器用GH4169合金，接頭強度能夠達到母材的85% 以上[37~39]，劉攀[40]等人研究了GH4169合金與硬質合金刀具的異種連接，發(fā)現鎳鍍層能夠提高接頭力學性能。張奇[41]等人研究了針釬焊接頭焊后對母材的影響以及解決辦法。研究發(fā)現，960℃保溫1h固溶處理，可解決缺口敏感性問題，獲得良好的焊后綜合性能。學者也研究了釬焊溫度對GH4169與1Cr18Ni9Ti釬焊接頭組織和性能的影響，隨著溫度升高，Ni元素向擴散區(qū)擴散，硬度沒有明顯變化，釬焊溫度為1060℃時，釬焊接頭獲得最大剪切強度，斷口發(fā)生在1Cr18Ni9Ti擴散區(qū)中。

5.3攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊屬于固相焊接技術，近年來在高溫回轉體零件的制造上發(fā)展迅速，目前，關于耐熱鋼和鎳基高溫合金焊接技術研究較少，李彥默[42]等人研究了S31042鋼與GH4169合金攪拌摩擦焊技術，研究表明，焊縫區(qū)域發(fā)生動態(tài)再結晶，有大量強化相析出，因此，焊接接頭的室溫力學性能優(yōu)于母材S31042鋼，焊縫中細小的晶粒和相會惡化高溫蠕變性能。目前，學者對飛邊形貌進行了大量的研究，白曉陽[43]和南旭驚[4]等人研究了“光滑”和“開裂”兩種飛邊形貌。同時，開展了攪拌摩擦焊模擬研究，研究了飛邊開裂的影響

因素[45]。金峰[46]等人分析了飛邊成形機理，以及飛邊與焊接接頭性能的關系。

6、發(fā)展趨勢

未來，高溫合金工藝技術將向著提高承溫承載能力和環(huán)境適應性能、增加高熔點合金元素含量的方向發(fā)展。其中，變形高溫合金向承溫更高、精密成形和低成本方向發(fā)展；鑄造高溫合金以高溫度梯度定向凝固技術和新型、超純單晶高溫合金為未來研究重點方向。盡管國內高溫合金發(fā)展速度較快，但與歐美等國相比，研究水平、設備能力、工藝技術和生產管理方面仍有很大提升空間，“兩機”專項政策加速航發(fā)國產化進程，助力上游高溫合金發(fā)展。《中國制造2025》重點實施五大工程中有三大工程涉及高溫合金，關注的十大領域中，航空航天裝備、電力設備及新材料三大領域涉及到高溫合金。預計2022年到2030年，我國累計新增45萬噸以上高溫合金市場需求量。

我國高溫合金供需缺口始終保持高位，供不應求局面長期存在。近年來，我國高溫合金需求量與供給量逐年同步攀升，但供需差距仍較大。2020年，國內高溫合金需求超過5萬噸，供需缺口約達2萬噸。從2013年至2020年，國內高溫合金供給缺口占總需求量比例始終保持在30% 以上，市場連年處于供不應求的狀態(tài)。

7、結束語

綜上所述，GH4169合金在鎳基高溫合金中占有特殊地位。針對合金成分多樣性，焊接工藝復雜性，強化相和穩(wěn)定相的分布和組成對溫度和時間敏感等特點，通過優(yōu)化合金成分、改進治煉方法、調整熱處理工藝、提升焊接工藝來獲得組織和性能優(yōu)良的產品，研制具有一材多用，更高承溫能力的高溫合金，對我國航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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