Nimonic合金为高合金化的时效强化型镍基变形高温合金，它的主要沉淀强化相为γ′相，同时Cr和Mo起到固溶强化的作用。Nimonic合金具有较高的强度，但热加工性能和焊接性能较差，主要用于制造航空发动机涡轮叶片、高温螺栓等高温零部件。工作温度能够达到℃~℃，我国对应的合金牌号为GH。
镍基高温合金在℃左右存在的相主要有γ相、γ′相、M23C6相、μ相及σ相。其中，γ相为基体相，它能溶解大量的合金元素，保证合金具有良好的固溶强化、沉淀强化和晶界强化效果，以及良好的抗氧化、抗热腐蚀能力。并且，高温合金中的固态相变几乎都是通过γ相发生的，从而对合金的力学性能产生明显的影响。对于沉淀强化合金，γ′相为合金的主要沉淀强化相。γ′相的数量越多，强化效果越好，强度越高。M23C6相对力学性能的影响和其形状有密切的关系。时效后析出的2次M23C6相呈块状或者颗粒状，可以起到晶界强化和沉淀强化的作用。但是析出的M23C6相过多，会使M23C6相连成脆性薄膜，易使裂纹从该处扩展。所以，适量的M23C6相含量对力学性能起到有利的作用。μ相在合金中以针片状的形态存在，是裂纹形核和扩展的通道。高硬度的μ相可以阻碍位错的运动，所以μ相的存在严重降低持久性能。μ相在晶内、晶界析出，使γ基体Co、Ni、W、Mo、Cr和Ti等元素贫乏，削弱了基体固溶强化和沉淀强化的作用，对合金的性能造成有害的影响。Cr、Mo、W等固溶强化元素会大量溶入σ相，使合金基体中这些元素的含量降低，削弱了固溶强化作用，降低合金的性能。
通过Thermo-Calc热力学计算软件分析不同元素对Nimonic合金析出相的影响，能够预测出不同成分下Nimonic合金的析出相及相析出温度。结合析出相对合金性能的影响，能够通过微调合金成分、选择合适的热处理制度来改变合金的性能，从而使得合金的性能满足高温叶片的要求。
1计算方法
采用Thermo-Calc热力学软件中的Ni基高温合金数据库进行热力学模拟计算。通过利用系统中各相的热力学特征函数之间的热力学关系，建立起热力学模型，将相的析出与热力学数据联系起来，从而计算出系统中所有的热力学信息，得到可能析出的平衡相。
忽略对Nimonic合金主要析出相没有明显影响的P、S等杂质元素，Nimonic合金主要的化学元素和典型成分如表1所示，通过改变合金中主要析出相形成元素Al、Ti、C、Cr、Mo的含量得到可能的析出相，并分析合金化学成分对析出相的影响。计算采用单变量的方法，即只改变一个元素含量，其他元素的含量均采用典型成分值。
2计算结果及分析
典型成分下析出相含量与温度的关系如图1所示。由图1可知，Nimonic合金的主要平衡相有γ相、γ′相、MC相、M23C6相、μ相以及σ相。典型成分下，MC的析出温度为℃，MC在℃消失。γ′相的析出温度为℃，μ相的析出温度为℃，σ相的析出温度为℃，M23C6的析出温度为℃。Nimonic合金在℃发生合金的析出相和析出相质量分数的突变。
温度为℃时，典型化学成分下各相的质量分数如表2所示。
Al、Ti、C、Cr、Mo是Nimonic合金中主要析出相γ相、γ′相、MC相、M23C6相、μ相以及σ相的主要形成元素，研究这5种元素对Ni-monic合金析出相及相析出温度的影响，对调整合金成分、改变热加工工艺及热处理制度有着积极的意义。结合℃参数等级超超临界汽轮机机组的工作环境，主要考虑Nimonic合金作为叶片或者紧固件时，在℃、℃、℃的工作温度下的相析出情况。
2.1Al含量对析出相的影响
Al是沉淀强化相γ′相的主要形成元素，Al含量对析出相质量分数及析出温度的影响如图2所示。由图2（a）、（b）、（c）可知，随着Al含量的增加，γ相的质量分数逐渐降低，γ′相、σ相的质量分数逐渐增加，μ相含量逐渐减少直至消失，M23C6相的质量分数几乎保持不变。γ′相和σ相随着温度的升高逐渐减少，μ相随着温度的增加明显增加。℃时，γ′相在Al含量为4.90%的质量分数为47.00%，与相同状态下的γ相的质量分数相同。由图2（d）可知，随着Al含量的增加，γ′相、σ相、μ相及M23C6相的析出温度逐步提高，γ相的析出温度几乎保持不变。其中，γ′相的析出温度由3℃上升到℃，σ相的析出温度由℃上升到℃，μ相的析出温度由℃上升到℃，M23C6的析出温度由℃上升到℃。
2.2Ti含量对析出相的影响
Ti同Al一样，是沉淀强化相γ′相的主要形成元素，Ti含量对析出相质量分数及析出温度的影响如图3所示。由图3（a）、（b）、（c）可知，随着Ti含量的增加，γ相的质量分数逐渐降低，γ′相、σ相的质量分数逐渐增加，μ相含量逐渐减少直至消失，M23C6相的质量分数几乎保持不变。γ′相和σ相随着温度的升高逐渐减少，μ相随着温度的增加明显增加。℃时，γ′相在Ti含量为1.50%时质量分数达到45.00%。由图3（d）可知，随着Ti含量的增加，γ′相、σ相、μ相的析出温度逐步提高，M23C6相的析出温度逐渐降低，γ相的析出温度几乎保持不变。其中，Ti含量由0.90%上升到1.50%时，γ′相的析出温度由℃上升到℃，σ相的析出温度由℃上升到℃，μ相的析出温度由℃升高到℃，M23C6的析出温度由℃下降到℃。
2.3C含量对析出相的影响
C对合金中碳化物含量的影响十分显著。C含量对析出相质量分数及析出温度的影响如图4所示。由图4（a）、（b）、（c）可知，随着C含量的增加，γ相、γ′相的质量分数几乎不变，σ相的质量分数显著减小，μ相和M23C6相的质量分数明显增加。随着温度的升高，γ′相、σ相质量分数降低，μ相随温度升高含量增多，而M23C6相的质量分数不随温度的改变变化。由图4（d）可知，随着C含量的增加，γ相、γ′相、M23C6相的析出温度几乎保持不变，μ相和σ相的析出温度显著下降。其中，C含量由0.12%上升到0.17%时，σ相的析出温度由℃下降到℃，μ相的析出温度由℃下降到℃。
#质量#
2.4Cr含量对析出相的影响
Cr是合金中含量较高的一个合金元素，其主要作用是增加合金的抗氧化能力和抗腐蚀能力。Cr含量对析出相质量分数及析出温度的影响如图5所示。由图5（a）、（b）、（c）可知，随着Cr含量的增加，γ′相、M23C6相的质量分数几乎不变，γ相、μ相的质量分数显著减小，σ相的质量分数明显增加。随着温度的升高，γ′相、σ相发生溶解使得其质量分数降低，μ相随温度升高含量增多，而M23C6相的质量分数不随温度的改变变化。由图5（d）可知，随着Cr含量的增加，γ相、γ′相的析出温度几乎保持不变，σ相、μ相及M23C6相的析出温度明显升高。其中，Cr含量由14.00%上升到15.70%时，σ相的析出温度由℃上升到℃，μ相的析出温度由℃上升到℃，M23C6相的析出温度由℃上升到℃
2.5Mo含量对析出相的影响
Mo主要溶于γ相基体中，起固溶强化的作用，同时Mo元素可以有效地降低热膨胀系数。Mo含量对析出相质量分数及析出温度的影响如图6所示。由图6（a）、（b）、（c）可知，随着Mo含量的增加，γ′相、M23C6相和σ相的质量分数几乎不变，γ相的质量分数显著减小，μ相的质量分数明显增加。随着温度的升高，γ′相、σ相发生溶解使得其质量分数降低，μ相的质量分数随温度的升高明显增加，而M23C6相的质量分数不随温度的改变变化。由图6（d）可知，随着Mo含量的增加，γ相、γ′相、σ相及M23C6相的析出温度几乎保持不变，μ相的析出温度略有升高。当Mo含量从4.50%上升到5.50%时，μ相的析出温度由℃上升到℃。
通过上述改变合金不同元素含量的计算结果可知，Al、Ti含量显著影响γ′相的质量分数。随着Al、Ti含量的增加，γ′相逐渐增多，γ′相的析出温度也随着升高。同时，μ相含量随着Al、Ti含量的增加大量减少，对合金性能产生有利影响。但是，σ相的质量分数也随Al、Ti含量的增加而增加，过多的σ相会降低塑性、冲击韧性，且易产生裂纹，对合金的性能有害。C是M23C6相的主要形成元素，C含量的增加可以明显提高M23C6相的质量分数，同时降低σ相的含量，C元素几乎不影响γ′相的含量。但是，C含量会显著提高μ相的含量。所以，对于合金应选择适当的C含量，使得析出相对性能的影响达到一个较有利的平衡。Cr和Mo对γ′相和M23C6相的含量没有影响，随着Cr含量的增加，μ相急剧减少，但是σ相也显著增加。随着Mo含量的增加，μ相和σ相都增加。综上所述，选择适当的合金成分，使得有利和有害的析出相能达到一个较优的平衡，才能使合金的性能得到充分的发挥。
3结论
（1）Al、Ti含量增加有效地提高了沉淀强化相γ′相的含量，同时提高了γ′相的析出温度。
（2）C含量增加显著提高了M23C6相及μ相的含量，对γ′相的含量没有明显影响，对γ′相、M23C6相的析出温度影响不大，μ相和σ相的析出温度显著下降。
（3）Cr和Mo含量的增加对γ′相和M23C6相的含量没有影响，对γ′相的析出温度影响不大，但是会提高μ相的析出温度。
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