什么是沉淀强化？高温合金为什么需要时效处理？
导读
本文系统解析了沉淀强化的核心原理、关键强化相（γ′/γ″相）、三大强化机制及时效处理的工艺要点，清晰对比了沉淀强化与固溶强化的性能差异，明确了时效处理作为沉淀强化核心工序的必要性，是增材制造及高温合金领域从业者理解高温高强度部件材料设计、把控热处理工艺的重要参考。
有许多不同的方法来强化高温合金。上一篇关于固溶的文章介绍了固溶强化的原理和常见的固溶强化合金。什么是固溶？镍基高温合金为什么需要固溶处理？在本文中，我们将继续介绍沉淀强化和沉淀强化合金。
我们在之前的很多文章中都提到过，所有镍合金的晶体结构都是面心立方结构。镍合金是以镍元素为基础的，这种面心立方结构由镍构成，被称为γ相。γ相的原子排列如下图所示：
图1
γ相的结构
一、什么是沉淀强化
在高温合金中，有一类合金称为沉淀强化高温合金。该合金在热处理过程中会析出不同于γ相的其它强化相。
在介绍固溶体的文章中，我们提到固溶体可以类比于盐在水中的溶解，但这种溶解是在固态下的溶解。那么沉淀相的沉淀可以类似于热盐水冷却过程中盐晶体的沉淀。当然这个沉淀也是固态下的沉淀。
二、为什么需要沉淀强化
高温合金主要用于高温应用。而高温应用也分很多类型。例如，在飞机发动机中，所有部件都必须在高温下工作。但是，发动机的机壳和发动机的叶片的作用是明显不同的。
发动机的外壳只需要有良好的高温抗腐蚀能力和有一定的强度。在这种应用下，固溶强化高温合金可以很好地完成这一任务。
然而，对于发动机的叶片，我们需要一种更坚固的合金。因为叶片在运行时转速较大，高转速带来的离心力较大。因此，开发了具有优异高温强度的沉淀强化合金，以用于不仅需要耐腐蚀性，而且在高温下抵抗大应力的应用中。
下表显示了一些常见的固溶强化合金（固溶处理）和沉淀强化合金（时效处理）的抗拉强度。
可以清楚地看出，所有沉淀强化合金的强度都相对较高。
三、沉淀强化相
如上所述，沉淀强化是其他强化相从γ相基体中析出的过程。主要的强化相是γ′和γ″相。
γ'相
γ′相是由金属间化合物Ni3Al组成的冶金相，其结构也是面心立方晶体。但是成分从Ni变成了Ni3Al。下图显示了γ相和γ′相之间的结构差异。
γ相和γ′相之间的结构差异
γ′相是高温合金中最重要的沉淀强化相，它能显著提高合金的高温强度。
γ′′相
γ′′相是由Ni3Nb组成的沉淀强化相，其结构为体心立方晶体。下图是γ相、γ′相和γ′′相的结构对比。
γ相、γ′相和γ″相的结构比较
γ′′相的中低温强度很高，但当温度进一步升高时，γ′′相的强度会越来越低，析出强化作用越来越不明显。
四、沉淀强化的三个主要原理
（1）晶格常数差异引起的强化
我们在上一篇文章中提到，合金的变形微观上是晶体层间的滑动（也叫位移运动）。沉淀强化相γ′相和基体γ相都是面心立方晶体。但它们的晶格常数（即单个晶格的边长）是不同的。这在一定程度上阻碍了晶体的位移运动，提高了抵抗变形的能力，即增加了强度。如下图所示：
晶格常数的差异
事实上，许多其他元素也能进入γ′相。这将进一步增加γ′相和基体的晶格常数之间的差异（也称为晶格失配）。这样可以进一步增加强度。下图显示了晶格不匹配程度和合金硬度的关系。
晶格失配度与硬度的关系
然而，在高温环境中，晶格失配过高的合金的γ′相将变得不稳定。因此，在高温下可以选择不匹配程度较小的合金。
（2）旁路机制引起的强化
当γ′强化相本身的强度高时，位移运动本身变得困难。如果基体需要继续移动，那么它必须绕过γ′相。绕过γ′相的基体将弯曲和挤压。这种挤压会增加原子间的作用力，使位移更加困难。
旁路机制
（3）切削机制引起的强化
在另一种情况下，γ′相本身的强度不是很高。在这种情况下，基体可以通过切割γ'相实现位移运动。但γ’相是一种非常稳定的结构，切割时需要克服大量的能量才能破坏这种结构。这阻碍了位移运动的发生。
切割机构
五、常见沉淀强化元素
（1）铝
铝元素是沉淀强化中最重要的元素，也是γ′相的基本元素。这就是为什么所有沉淀强化高温合金都含有铝。
在镍基高温合金中，约20%的铝会进入γ基体起到固溶强化作用。剩余80% 的铝将形成Ni3Al用于沉淀强化。
合金中的铝含量也显著影响合金的性能。铝含量越高，合金中的γ′析出相越多，合金的强度越高。但如果铝含量过高，会导致有害相的析出，对合金的性能产生不利影响。下图说明了铝含量对合金性能的影响。
铝含量对合金性能的影响
（2）钛
在高温合金中，大约10%的钛具有固溶强化作用，其余90%具有沉淀强化作用。在γ′相中，钛原子可以充当铝原子的位置。因此，增加钛含量也能增加γ′沉淀强化相的数量。
此外，钛与铝的比例对γ相与γ′相之间的晶格失配有显著影响。下图显示了钛铝比的变化对晶格失配的影响。
钛铝比的变化对晶格失配的影响
（3）铌
大约90%的铌在高温合金中也进入γ′强化相。它的加入可以增加γ′相的数量，同时增加γ′相晶体中的结合能，使沉淀相更难被切割，达到了更高的强度。
当合金中铌的含量进一步增加到4%以上时，铌不仅能增加γ′相的数量，而且能与Ni生成γ″相（Ni3Nb），这进一步提高了合金的强度。
（4）钽
像铌一样，大约90%的钽可以进入γ′相。同时，钽还能起到提高γ′相稳定性的作用。
（5）综合作用
合金中的其他元素也能进入γ′相参与沉淀强化。
钛、铌、钽、铪、钒：优先进入γ′相参与沉淀强化，少部分进入γ相参与固溶强化。
钴、铬、钼：优先进入γ相参与固溶强化，少部分进入γ′相参与沉淀强化。
钨：大约50%的钨参与固溶强化，50%参与沉淀强化。
六、时效处理
（1）时效处理的目的
时效处理的目的是在前期热处理的基础上进一步析出细小的γ′相或γ″相，从而增加主强化相，进一步增加合金的强度，达到最佳强化效果。
（2）时效处理的先决条件
时效处理必须首先进行固溶处理，在上一篇文章中，我们提到固溶处理的目的是充分溶解合金，获得合适的晶粒尺寸，并减少有害相。因此，固溶处理是所有镍基高温合金最基本的热处理工艺。
此外，一些合金在固溶处理后需要中间热处理。该步骤的目的是减少在固溶阶段沉淀的具有较大晶粒尺寸的γ′相。
（3）时效处理参数
时效处理的温度通常是合金的使用温度。
这是因为在该温度下时效处理后，合金在该温度下不会析出新相，从而在工作过程中保持稳定的性能。如果时效温度高于使用温度，在合金使用过程中会析出新的强化相，这会改变合金的性能。而如果时效温度低于使用温度，后期使用过程中会触发时效强化过程，这会导致强化相的积累和长大，从而降低合金的强度。
时效处理时间一般为16小时，但有些合金会用24小时或32小时。
时效处理的冷却方式一般是空冷，对升温速率要求不是很严格。
七、常见的沉淀强化合金
国外：
哈氏合金系列（ Hastelloy）全部都是固溶强化的，没有沉淀强化合金。
在Monel,、Inconel、Incoloy合金中，一般来说，名字以奇数开头的合金是沉淀强化合金。比如：Monel K-500, Inconel 718, Inconel X-750, Incoloy 909。
国内：
GHXXXX （X代表数字，第一位X的含义如下），
1—表示铁或铁镍(镍小于50%)为主要元素的固溶强化型合金类；
2—表示铁或铁镍(镍小于50%)为主要元素的时效强化型合金类；
3—表示镍为主要元素的固溶强化型合金；
4—表示镍为主要元素的时效强化型合金；
5—表示钴为主要元素的固溶强化型合金；
6—表示钴为主要元素的时效强化型合金；
7—表示铬为主要元素的固溶强化型合金；
8—表示铬为主要元素的时效强化型合金；
2、4、6、8，分别为镍基、钴基、铬基沉淀强化合金，比如增材领域常见的GH4169、GH4202等，都是沉淀强化合金，最终状态的热处理都是时效热处理。
八、结论
沉淀强化是一种不同于固溶强化的强化方法。
它具有比固溶强化更好的强化效果，并且能够使合金用于具有更高应力的应用中。
沉淀强化主要通过向合金中添加铝来实现，并通过时效处理沉淀强化相。
