热处理对不同W含量镍基合金的显微组织与力学性能研究
摘要
铸造镍基高温合金以其优异的高温组织稳定性、良好的抗氧化能力及高温抗热侵
蚀能力，被广泛应用于航空航天等领域。通常镍基合金是以γ相为基体、多种沉淀相共
同组成的高合金化材料。经不同的工艺处理后，L12结构的γ相的析出能显著提升合金
强度。此外，一定量的难熔金属元素W可增加原子间的结合力，同样被认为是提高合
金高温性能的方法，但随着W元素含量的增加，合金在凝固或热处理过程中容易析出
Laves相，从而影响合金室温力学性能以及高温组织稳定性。本文通过热处理调控显微
结构，研究了合金成分与热处理工艺改变对镍基高温合金力学性能的影响规律，为合
金后续的研究和应用提供参考依据。
本文研究了合金成分调整对铸态合金显微组织与力学性能的影响，制备出了不同
W元素浓度梯度的镍基高温合金，并对其在热处理过程中的显微组织与力学性能变化
进行了表征与分析。铸态合金内部存在着大量的树枝晶组织，且枝晶间存在大量低熔
点共晶组织，这些共晶组织在拉伸过程中容易产生应力集中并萌生微裂纹，导致铸态
合金室温塑性较差，均为2%左右。通过差热分析确定了合金内各相的析出温度与凝固
顺序，0W合金的液相温度为1312℃，5W合金的液相温度为1332℃，W元素的添加
提高了合金的相转变温度，并以此为依据，设计了固溶热处理工艺。
首先，对铸态合金在1050℃、1100℃、1150℃、1200℃分别保温0.5h、1h、2
h。材料在不同的固溶处理后，其内部的显微组织主要为晶粒内不规则分布的共晶组织，
且随着温度的升高或保温时间的延长，其体积分数逐渐下降，最终全部回溶于基体，
此时合金内部成分均匀，材料塑性得到提高，其中0W与1W合金在1100℃保温2h，
3W合金在1150℃保温2h，5W合金在1200℃保温2h后合金的综合力学性能最为优
异。
其次，通过对固溶处理后的试样在600℃和700℃进行6h~24h的时效处理，研究
了时效温度与时效时间对合金显微结构与力学性能的影响。研究表明，只有5W合金在
700℃下进行时效处理后，随保温时间的增加，晶粒内部会逐渐析出沉淀相，并在晶界
处偏聚，此时合金的强塑性均发生了大幅度的下降。由于密排六方结构（HCP）的
Laves相在晶界处的析出，引起晶界脆性，使合金塑性降低，3W合金在700℃时效处
理24h后力学性能最佳，屈服强度为1045MPa，抗拉强度达到了1270MPa，塑性保持
在25%。
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
最后，通过对比合金在600℃与700℃下的高温力学性能，发现随着合金内部W
元素的增多，其高温力学性能呈现出先升高后下降的趋势。研究表明，W元素的添加，
促进了{001}110织构的生成，但同时也增加了γ相的尺寸，并提高了其与基体之间
的错配度，这种沉淀相与基体之间结合力的下降，是合金高温力学性能变化的主要原
因。
关键词：高温合金；热处理；沉淀相；显微结构；力学性能
II
热处理对不同W含量镍基合金的显微组织与力学性能研究
Abstract
Castnickel-basedsuperalloysarewidelyusedinaerospaceandotherfieldsduetotheir
excellenthigh-temperaturestructuralstability,goodoxidationresistanceandhigh-temperature
thermalerosionresistance.Usually,nickel-basedalloysarebasedonγphaseandavarietyof
precipitatedphasesAhighlyalloyedmaterial