随着航空航天事业的快速发展，航空发动机的工作温度和载荷不断提高，对高温合金材料的性能提出了更高的要求。优化高温合金材料的热处理工艺，实现微观结构和性能的精确控制，已成为确保发动机高温部件优异性能的关键。本文着重介绍了航空发动机高温合金材料的种类及性能要求、常规热处理方法及其原理、热处理过程监测与质量控制等热处理关键技术，在此基础上探讨了材料微观结构调控、工艺参数优化、新型热处理策略等热处理工艺创新方向，旨在为提高航空发动机高温合金材料的服役性能和使用寿命提供参考。
1 航空发动机高温合金材料的种类及应用
1.1 高温合金材料的种类与特性
航空发动机中的高温部件，如燃烧室、高压压气机导向器静子和高压涡轮等，长期承受700 ～1100℃的高温和致命的机械载荷，因此，需要选用性能优异的高温合金材料。目前，镍基超合金由于具有良好的高温力学性能、抗氧化和抗腐蚀性能，已经成为航空发动机高温部件的主力结构材料。根据化学成分不同，镍基超合金可以分为γ/γ′超合金、γ/γ′+γ″超合金和γ+γ′+σ 相超合金三大类。代表性的几种高温合金材料性能参数对比如表1所示。
表1 几种代表性高温合金材料性能比较
其中γ 相为镍固溶体体心立方(FCC)结构，提供良好的塑性和韧性；γ′相和γ″相为有序体心立方(L12)结构，提供优异的高温强度；σ 相为四方结构，提高了合金的抗蚀性。新研发的第三代单晶γ/γ′超合金应用了更多合金元素如Re、Ru 等调控γ′相，使得合金在1100℃时仍保持良好力学性能，被公认为目前性能最优异的高温合金材料。
1.2 高温合金材料在航空发动机中的应用需求
随着航空发动机推重比和涵道比的不断提高，发动机需承受更高的温度和压力。为了达到更高的燃油效率和推力，未来，航空发动机的涡轮入口温度将达到1500℃以上，对高温合金材料提出了更加严苛的挑战。具体来说，高温合金材料在航空发动机中的应用需满足以下需求：（1）高压压气机导向器和涡轮叶片等高温部件需在750 ～1100℃环境下工作500 ～1000h。这要求高温合金材料在该温度范围内保持足够的短时和长时力学性能，如抗拉强度不低于1200MPa，蠕变寿命达到1000h 以上。（2）优异的抗氧化性和抗热腐蚀性。高温部件长期暴露在高温高速燃气环境下，易遭受氧化侵蚀。因此，高温合金需形成稳定的保护氧化膜以抵抗氧化损伤的快速发展。（3）加工制造需求。高温合金材料需具备良好的锻造性、焊接性等，便于制备复杂形状的部件，同时，确保材料在加工过程中不产生损伤。（4）微观结构稳定。经过长时间的高温负荷，高温合金材料的强化相等微观特征不应产生明显的组织演变，从而导致宏观性能退化。近年来，基于高通量计算和人工智能的新型高温合金设计策略，在设计高性能航空发动机用高温合金材料方面展现出巨大应用潜力。
2 航空发动机高温合金材料的热处理方法及原理
2.1 常见的高温合金材料热处理工艺方法
航空发动机高温合金材料主要采用固溶处理、时效处理和再结晶处理等热处理方法，以获得优异的高温力学性能。固溶处理通过在1050 ～1200℃进行固溶铸造状态下的不纯物，使其溶解于γ 相基体中，消除先期生成的各种相，获得化学组成均匀的固溶体结构。常见固溶参数为1160℃保温1h，冷却方式一般采用水淬或气冷。时效处理在较低温度下进行，通常在650～870℃范围内。该过程使强化相如γ′相和γ″相有序分散地沉淀出来。时效处理可以是单级时效，也可以是双级或多级复杂时效。典型时效参数为760℃时效8h，或先后在650℃和870℃两温度下时效。再结晶处理在超溶区域进行，一般在1160 ～1260℃之间。该过程的主要目的是消除时效过程中可能形成的大量结构缺陷，并抑制晶粒过度长大。同时，利用合金元素精细调控晶界移动，使晶粒长大至20 ～40μm 然后停滞。一般的再结晶参数为1204℃，保温1h，然后空冷。通过系统设计和匹配上述三大工艺，可获得高温合金稳定的组织，使其在700 ～1100℃下获得良好的抗拉强度、抗蠕变性和抗氧化性，满足重要发动机部件的性能需求。
2.2 热处理工艺对高温合金性能的影响
热处理工艺对高温合金的微观结构和性能有直接的影响。固溶处理温度和时间影响γ 相矩阵的化学均一性。固溶温度过低不能完全溶解合金元素；过高和保温时间过长会导致元素挥发。冷却速率影响固溶体的超饱和程度。快速冷却可获得高密度的位错和空位，使固溶体抗拉强度达到1300MPa 以上。时效处理温度和时间决定析出相的类型、形态、体积分数、尺寸等参数。如Rene 104 合金在760℃时效8h 可获得最佳抗拉强度，而在871℃时效16h 则可获得更好的抗蠕变性。多级复杂时效可以更精确控制不同类型强化相的生成，使1100℃抗拉强度达1450MPa。再结晶参数控制晶粒尺寸的均匀性。典型工艺为1204℃保温1h，晶粒尺寸精化至20 ～40μm。较精细晶粒和再溶解过量相能提高蠕变寿命30%以上。此外，精确控制工艺环境也十分重要。小量钛、硼元素的存在可显著抑制再生长，细化晶粒尺寸。综上，热处理工艺的精确设计和严格控制对获得期望的微观结构，保证高温合金在工作温度下获得1200MPa 以上抗拉强度和500h 以上蠕变寿命至关重要。工艺参数的优化仍需基于考虑合金成分及使用条件来确定，以期进一步提升高温合金的长寿命服役性能。
3 航空发动机高温合金材料热处理关键技术研究
3.1 热处理工艺创新与微观结构调控
热处理工艺的持续创新与优化是提高高温合金性能的关键技术之一，主要目的是实现材料微观结构与性能的精确调控。传统的简单热处理工艺难以实现对合金微观结构各特征的精确控制。采用多级复杂时效替代单一时效可以分阶段控制不同类型沉淀相的生成，使γ′体积分数提高1 倍，1100℃蠕变寿命增加60%。采用酌量添加末稀土元素并严格控制参数的稳定化时效，可以有效抑制不利相的生成。一些新型高温合金采用复合时效替代传统溶体化时效，可减少微裂纹产生。此外，先进的快速热处理技术如激光热处理和电子束热处理可以实现微区快速加热，显著提高合金的热处理响应速率。一些新型非等温退火曲线也得到应用，可以更好地控制相变过程。采用温度梯度技术可在合金样本中引入微区组织差异，用于优化热处理工艺。一些新型在线监测技术如同步辐射X 射线和中子衍射也用于揭示热处理中的相变行为。综上，热处理工艺的持续创新与结构性能协同优化，将推动高温合金向更高温更复杂应用条件进行跃迁，以满足未来发动机的需求。
3.2 工艺参数优化对合金性能的影响
优化热处理工艺参数对提高高温合金材料的力学性能和长寿命十分关键。合理选择和匹配热处理参数条件，可以显著改善高温合金的抗拉强度、抗蠕变性能等方面的宏观性能指标。固溶处理温度和时效处理温度是最关键的影响参数。过低的固溶温度不能充分溶解γ′相等强化相，而过高的固溶温度会导致基体中关键元素的损耗；时效温度过低则强化相过细效果较弱，时效温度过高会使强化相反而粗化而效果减弱。优化选择Inconel 718 合金的固溶处理参数，可使其室温抗拉强度提高8%。保温时间也是重要参数，适当延长固溶处理保温时间有利于获得更加均匀的固溶体。淬火冷却速率对获得高密度位错的超饱和固溶体十分关键。优化选择淬火介质，可使合金的冷却速率提高5 倍，从而使其室温拉伸强度提高11%。精心设计的多次时效退火也可以控制强化相的尺寸、形态、分布情况，例如，某合金的1100℃抗拉强度通过反复多次时效可提高20%。必须严格控制退火及淬火的气氛，抑制高温氧化。再结晶参数的选择优化也非常关键，要考虑合金中的微量元素对晶界迁移的驰豫作用，控制获得20 微米内的细化晶粒，这样可使合金750℃下的蠕变强度提高40%。采用多级时效和再结晶处理的配合，可使Rene88DT 合金实现在1200℃、140MPa 负荷下达到100h 无损伤的优异高温抗蠕变性能。可以看出，精心设计和优化热处理的参数组合，实现对不同强化机制的协同增强，是获得高温合金优异力学性能的关键所在。参数优化还要考量材料的使用条件，以达到性能的最大化。
3.3 热处理过程精密控制与质量监测
热处理过程的精密控制和质量检测监测是确保高温合金获得优异性能的关键环节。近年来，各种新技术的应用，显著提高了热处理过程的可控性和稳定重复性。采用先进的计算机控制系统和传感器网络，可以实现对炉内温度等参数的实时在线监测。例如，采用闭环PID算法精确控制加热炉的温度曲线，使实际温度波动控制在±1℃之内，大大提高了热处理过程的可重复性。各类新型的过程在线监测技术正得到广泛应用。如采用激光弹性波检测技术，可以在时效退火过程中实时监测材料的弹性模量变化，实现对退火过程的在线非破坏检测。采用先进的同步辐射X 射线和中子衍射技术，可以原位检测合金在热处理过程中的相变行为。这些技术的应用极大地提高了对热处理质量的在线评价能力。退火后的金相组织分析和力学性能测试也对评价热处理质量至关重要。采用图像处理和计算机视觉分析算法，可以高效自动地获得合金组织各种定量特征；采用数据挖掘技术建立热处理参数与力学性能指标之间的相关性模型。综上，精密过程控制和新型在线检测技术的应用，使高温合金材料的热处理过程可控性和稳定重复性大幅提升，为后续的性能质量控制奠定了基础，也使热处理工艺优化更加高效。
3.4 热处理-微观结构-性能模型构建
为了实现航空发动机高温合金材料的热处理工艺与微观结构性能之间的有效联系，建立热处理-微观结构-性能的关系模型成为热处理控制的关键技术。这类模型的建立可以基于大量先验实验数据，采用多变量数据分析方法建立热处理参数与材料力学性能之间的数学回归模型。例如，采用随机森林算法分析Inconel 718 合金的热处理实验数据，建立了固溶温度、固溶时间和淬火速率与抗拉强度之间的非线性映射关系，模型预测误差小于5%。也可以基于材料热力学与动力学理论，采用CALPHAD方法计算热处理过程中的相变行为和相态演变，再结合组织模型预测强化相参数对强度的贡献。例如，基于Thermo-Calc 软件的CALPHAD 计算结果与体积分数法模型相结合，可预测Rene 88 合金复杂时效工艺处理后的抗拉强度，误差小于8%。这类模型建立了热处理-微观结构-性能之间的直接联系，实现了对热处理质量和材料性能的预期预测和过程控制，为热处理工艺的优化提供了有力的支撑，使高温合金性能的提升与热处理技术的创新协同发展。
4 结语
综上所述，航空发动机高温合金材料的热处理工艺与材料微观结构的精细调控是获得优异力学性能的关键。采用多级复杂时效、新型稳定化处理等先进热处理策略，实现材料组织的准确控制。同时，参数优化实现各强化机制的协同，大幅提高高温合金的抗拉和抗蠕变性能。与此同时，热处理工艺的数字化建模与新型在线监测技术，极大地提高了热处理的可控性。未来，热处理工艺的持续创新与结构性能协同优化，将实现航空发动机高温合金热处理工艺与组织性能之间的深入联系与协同控制。
引自：姜煜霞. 航空发动机高温合金材料热处理研究[J]. 中国设备工程, 2025, (2):142-144.
来源：特种钢加工与应用