GH4169合金的中国之路：从仿制到自主研发的飞跃

变形高温合金概述

变形高温合金与Inconel 718/GH4169合金

变形高温合金（Wrought Superalloy）是一类可通过冷热加工成型的高温合金材料，属于最早的高温合金类型之一。该类合金相较于铸造高温合金和粉末高温合金，具有出色的塑性加工性能，能够直接通过锻造、轧制及挤压等工艺制造出复杂形状的零件，且生产成本相对较低，因此应用领域广泛，占据了高温合金市场约70%的份额。

变形高温合金的研究始于20世纪30年代末。英国在镍-铬电热材料的基础上，通过添加铝和钛等元素对合金进行强化。1939年，Mond镍公司开发了Nimonic 75合金，1941年为了进一步提高蠕变强度，又研发出了Nimonic 80合金，这标志着变形高温合金发展历程的开启。表1-1列出了近几十年来变形高温合金的成分变化，随着新合金的不断推出，合金体系引入了更多元素，从最初的4组元合金逐渐发展为包含10组元以上的复杂合金。然而，值得注意的是，Cr元素的含量相对稳定，这保留了早期变形高温合金的主要成分特征。

在众多变形高温合金中，Inconel 718合金尤为突出。这是一种Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型变形高温合金，长期使用温度范围为-253℃至650℃，短时使用温度可达800℃。据统计，1989年Inconel 718合金已占据变形高温合金总产量的45%，至2004年更是超过了高温合金总消耗量的60%。该合金由Inco公司的Eiselstein研发成功，并于1958年申请专利。最初，Inconel 718合金的研发旨在解决René 41、Waspaloy等合金难以焊接的问题[21]，但因其出色的加工性能、服役性能、长期组织稳定性及相对低廉的价格，而被广泛应用于航空发动机和燃气轮机的零部件制造。尽管已有66年历史，且新型耐高温材料不断涌现，但Inconel 718合金仍保持着其重要地位。据GE公司预测，至2024年，该合金在关键燃气轮机部件中的使用量仍将庞大，与各种先进高温合金材料的总量相当。

关于Inconel 718合金的强化机制研究，起初相对滞后。20世纪60年代，研究热点集中于合金成分与热处理工艺对相稳定性的影响。通过大量实验数据，人们认为该合金的强化相为Ni₃Nb组成的特殊γ'相，同时发现了体心四方结构的亚稳态相和正交结构的Ni₃Nb相。到了70年代，体心四方结构的亚稳相被命名为γ"相，并被认为是Inconel 718合金的主要强化相，而γ'相则被认为是该合金强化机制的重要组成部分。

Inconel 718合金中主要存在的第二相有γ'、γ"、δ、Laves相以及MC碳化物等[26]。其中，γ'相是一种L12面心立方结构的有序相，主要由Ni、Al、Ti三种元素按化学计量比Ni₃(Al,Ti)组成，该相主要在650850℃长期时效时在合金基体中析出，析出形貌为球形。但需要注意的是，与Waspaloy、René41等合金不同，γ'相在Inconel 718合金中只占有约4%的体积分数，对合金整体的强化效果仅占1020%，因此并不是该合金的主要强化相。而γ"相则是Inconel 718合金的主要强化相，具有DO₂2体心四方结构，元素组成主要为Ni₃Nb，形貌特征为圆盘状，一般具有60nm的直径和510nm的厚度，在合金中的体积分数占比约为15%。该相的析出温度为650760℃，当温度高于816℃时会发生粗化并转变为δ相，完全回溶温度为950℃。δ相是γ"相的稳定相，具有D0a正交晶体结构，元素组成与γ"相完全相同，一般在基体中以针状或短棒状析出，主要分布于晶界附近，析出温度为700℃，析出峰为900℃，当温度高于1020℃时完全回溶。

我国于1968年开始仿制Inconel 718合金，并将其命名为GH4169。最初，该合金被用作708工程中运十飞机的发动机吊挂材料，但由于当时未采用高温扩散退火消除Laves相，因此合金性能未能达到预定要求。为了满足我国新型航空发动机的发展需要，我国于1984年将GH4169合金列入冶金部和航空部共同攻关课题，并于同年6月30日成立了联合攻关课题组，最终花费20年突破了该合金的冶炼、均匀化、镦拔开坯以及盘件成型等关键技术。时至今日，GH4169合金已成为我国最重要的高温合金材料之一，在航空航天、能源化工等领域得到广泛应用，为国防实力的提升和国民经济的发展做出了巨大贡献。

近年来，随着我国重型燃气轮机和航空发动机制造领域的快速发展，直径达2000mm的GH4169合金涡轮盘件成为H级重型燃气轮机本土化研发的关键组成部分。然而，由于这类合金的生产过程和产品质量受到多种因素的影响，不能简单地将小尺寸锭型的生产工艺应用于大尺寸锭型的制造。因此，如何针对大尺寸GH4169合金锭进行工艺设计成为当前亟待解决的问题。

变形高温合金的制造工艺简介

变形高温合金在过去几十年中取得了革命性的性能提升，这主要得益于制造工艺的革新。虽然通过添加越来越多的合金元素使得变形高温合金获得了更加优异的性能，但是其主要成分却变化不大。因此，工艺技术成为了变形高温合金性能提升的关键性因素。

变形高温合金的制造过程是一个长流程的复杂工艺流程，可根据最后产品的形态灵活选择不同的加工方式。为了更具针对性，本小节仅对盘锻件的制造过程进行介绍。目前，较为主流的变形高温合金盘锻件制造工艺流程主要包括真空感应熔炼、电极去应力退火、电渣重熔、真空自耗重熔、均匀化处理、镦拔开坯、锻造以及热处理等工序。这些工艺主要可分为三类：冶炼工序、热处理工序和热变形工序。其中，真空感应熔炼、电渣重熔以及真空自耗重熔属于冶炼工序，主要负责制备高纯净、低偏析的合金铸锭；电极去应力退火是用来去除铸锭内部凝固残余应力的热处理工序，可稳定后续重熔冶炼过程的电弧；均匀化处理是采用高温扩散退火的方式消除铸态组织中的偏析相与元素偏析的工艺，是一种实现合金成分均匀的高温热处理工序；镦拔开坯则是采用热变形的手段均匀合金的晶粒组织，并消除合金内部的空洞与疏松，使得合金具有均匀的力学性能；锻造是通过压力加工的方式将合金坯料塑造成所需形状的工艺；热处理过程则是通过控制合金的加热和冷却过程，以调整合金的微观组织，从而获得所需性能的一种工艺。