K438 鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金是我國自主研發(fā)的經(jīng)典高溫合金之一，憑借優(yōu)異的綜合性能和成熟的生產(chǎn)工藝，在航空航天、能源動(dòng)力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是高溫部件制造的主力材料之一。

從化學(xué)成分來看，K438 合金的成分設(shè)計(jì)體現(xiàn)了多元素協(xié)同強(qiáng)化的理念。鎳作為基體元素，占比超過 60%，為合金提供了良好的韌性和穩(wěn)定性基礎(chǔ)。鉻元素含量為 18% - 20%，這一高鉻成分是合金抗氧化和抗熱腐蝕性能的核心保障。在高溫環(huán)境下，鉻會(huì)迅速在合金表面形成一層致密的 Cr?O?氧化膜，這層氧化膜與基體結(jié)合牢固，能有效阻擋氧氣、二氧化硫等腐蝕介質(zhì)的侵入，即使在 800℃ - 900℃的高溫下，仍能保持良好的完整性。鋁和鈦元素的總含量為 5% - 7%，其中鋁含量為 3.5% - 4.5%，鈦含量為 1.5% - 2.5%，二者形成大量 γ' 強(qiáng)化相，γ' 相在合金中的體積分?jǐn)?shù)約為 45% - 50%。這些細(xì)小的 γ' 相顆粒均勻分布在基體中，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，顯著提升了合金的高溫強(qiáng)度和硬度，如同在合金內(nèi)部構(gòu)建了一張堅(jiān)固的 “強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)”。

鉬元素含量為 3% - 4%，作為重要的固溶強(qiáng)化元素，鉬原子融入鎳基固溶體后會(huì)造成晶格畸變，增強(qiáng)原子間的結(jié)合力，從而提高合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。此外，合金中還添加了微量的硼（0.01% - 0.03%）和鋯（0.05% - 0.10%）元素，硼元素優(yōu)先偏聚在晶界，降低晶界能，強(qiáng)化晶界結(jié)合力，減少高溫下的晶界開裂風(fēng)險(xiǎn)；鋯元素則通過細(xì)化晶粒，使等軸晶晶粒度從 3 - 4 級(jí)細(xì)化至 5 - 6 級(jí)，進(jìn)一步提升了合金的塑性和抗疲勞性能。

在性能表現(xiàn)上，K438 合金的綜合性能十分均衡。室溫下，其抗拉強(qiáng)度可達(dá) 950MPa - 1000MPa，屈服強(qiáng)度為 650MPa - 700MPa，延伸率為 15% - 20%，硬度 HRC30 - 32，這種強(qiáng)韌性的平衡使合金不僅能承受較大載荷，還具備一定的塑性變形能力，便于后續(xù)的機(jī)械加工和裝配。高溫力學(xué)性能同樣出色，在 800℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度為 700MPa - 750MPa，屈服強(qiáng)度為 500MPa - 550MPa，延伸率為 10% - 12%；在 850℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度仍保持在 600MPa - 650MPa，完全滿足多數(shù)中高溫部件的強(qiáng)度要求。

持久性能是 K438 合金的突出優(yōu)勢，在 800℃、200MPa 應(yīng)力下，其持久壽命超過 1500 小時(shí)，持久塑性達(dá) 5% - 6%，斷口呈明顯的韌性斷裂特征，存在大量韌窩，表明其在高溫長期服役過程中仍具有良好的塑性儲(chǔ)備。抗蠕變性能測試顯示，在 850℃、150MPa 應(yīng)力下，1000 小時(shí)的蠕變變形量僅為 0.7%，且蠕變曲線的第二階段（穩(wěn)態(tài)蠕變）持續(xù)時(shí)間長，蠕變速率低，能長期保持尺寸穩(wěn)定。抗氧化性能方面，900℃靜態(tài)空氣中氧化 1000 小時(shí)后，氧化增重為 15g/m2 - 20g/m2，氧化膜主要由 Cr?O?和少量 Al?O?組成，雖有局部輕微剝落，但整體仍能有效保護(hù)基體。

鑄造工藝性能是 K438 合金的一大亮點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)性測試中，1500℃澆注溫度下，螺旋線長度達(dá)到 600mm 以上，能夠輕松填充壁厚 1.5mm - 3mm 的復(fù)雜型腔，尤其適合制造帶有交錯(cuò)冷卻通道、異形內(nèi)腔的部件。例如，燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪導(dǎo)向葉片內(nèi)部通常設(shè)計(jì)有 10 - 20 條冷卻通道，最小直徑僅 3mm，K435 合金憑借優(yōu)異的流動(dòng)性，能確保這些通道完整成型，保證冷卻效果。鑄件的尺寸精度可達(dá) CT5 - CT6 級(jí)，表面粗糙度 Ra≤1.6μm，內(nèi)部缺陷等級(jí)控制在 1 級(jí)以下，鑄造合格率超過 90%，適合批量生產(chǎn)。

在航空航天領(lǐng)域，K438 合金被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室部件、渦輪導(dǎo)向葉片和機(jī)匣等靜子部件。某型中等推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室火焰筒采用該合金鑄造，火焰筒工作溫度在 800℃ - 900℃之間，需承受燃?xì)獾母咚贈(zèng)_刷和劇烈的熱應(yīng)力，采用 K438 合金后，火焰筒的服役壽命達(dá)到 3000 小時(shí)，較原用合金提高了 500 小時(shí)。在地面燃?xì)廨啓C(jī)中，該合金用于制造燃燒室襯套和過渡段，在某型 60MW 燃?xì)廨啓C(jī)中，襯套在 850℃的工作環(huán)境下，服役 20000 小時(shí)后仍無明顯腐蝕和變形。

生產(chǎn)工藝上，K438 合金采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，真空度控制在 5×10??Pa 以下，確保氣體含量極低（氧≤30ppm，氮≤20ppm）。鑄造采用熔模精密鑄造工藝，蠟?zāi)２捎弥袦叵灹?，通過組合壓型成型復(fù)雜部件，模殼采用多層涂掛工藝，面層使用熔融石英砂，背層使用莫來石砂，焙燒溫度控制在 1050℃，以保證模殼強(qiáng)度和透氣性。澆注溫度根據(jù)鑄件厚度調(diào)整在 1480℃ - 1520℃，澆注速度控制在 10 - 15kg/s，采用底注式澆注系統(tǒng)，確保金屬液平穩(wěn)充型。熱處理工藝為 “1100℃×4h 固溶處理 + 空冷 + 850℃×16h 時(shí)效處理 + 空冷”，通過固溶處理使合金元素充分溶解，時(shí)效處理促進(jìn) γ' 相均勻析出，確保合金性能達(dá)到最佳狀態(tài)。