1 合金概述：一种时效强化型镍基变形高温合金

Nimonic90（美国牌号UNS N07090，中国牌号GH4090）是一种沉淀硬化型镍-铬-钴合金，由英国在20世纪中叶研制成功。该合金通过添加钛和铝进行强化，属于时效强化型镍基变形高温合金，含有较高量的钴及多种强化元素。其特点是在815～870℃温度范围内具有较高的抗拉强度和抗蠕变能力，同时保持良好的抗氧化性、耐腐蚀性以及优异的疲劳强度，成为航空航天和能源领域不可或-缺的关键材料。

Nimonic90在高达920°C的温度下仍能保持优异的性能，使其成为极端高温和应力环境下的理想选择。与普通高温合金相比，该合金通过γ'相[Ni₃(Al,Ti)]沉淀强化机制实现了高温下的高强度，同时兼具良好的成形性和焊接性，在航空发动机、燃气轮机等高端装备制造中占有重要地位。

2 化学成分：精密配比的合金设计

Nimonic90的化学成分经过精心设计，各元素比例严格控制，以实现最佳的高温性能匹配。

表：Nimonic90的化学成分标准（质量分数%）

合金中的镍作为基体元素，提供了稳定的面心立方结构，确保了合金良好的延展性和韧性。铬元素的添加（18-21%）使合金在高温下能够形成致密的氧化铬保护膜，有效抵抗氧化和腐蚀环境。钴的加入进一步提高了合金的固溶强化效果，增强了高温长期使用下的组织稳定性。

最为关键的是，铝和钛的协同作用形成了主要强化相γ'-Ni₃(Al,Ti)，这种在基体中均匀析出的纳米级颗粒显著提升了合金的高温强度和抗蠕变性能。同时，合金采用超低杂质元素设计（如硫、磷含量分别控制在0.015%和0.02%以下），最大限度地减少了有害相的形成，确保了材料的纯净度和性能稳定性。

3 物理与力学性能：卓越的高温特性

3.1 基本物理性能

Nimonic90的密度为8.18-8.20 g/cm³，熔点约1340-1400℃。在20-100℃温度范围内，其线膨胀系数为12.7 μm/m·℃，热导率为21.76 W/(m·℃)。弹性模量为213-225 GPa，显示出良好的刚性特征。这些物理特性为其在高温环境下的应用提供了坚实基础。

3.2 室温与高温力学性能

合金在20℃时的典型力学性能为：抗拉强度≥820-1150 MPa，屈服强度≥590-725 MPa，延伸率可达30%以上。随着温度升高，Nimonic90仍能保持优异的力学性能。在650-750℃温度区间，合金依然具有高达600-800 MPa的拉伸强度，这是其能够胜任高温工况的关键。

表：Nimonic90在不同状态下的典型力学性能

抗蠕变性能是Nimonic90的突出优势。在815-870℃高温环境下，合金能够长期保持稳定的抗蠕变能力，这在涡轮叶片等高温部件的应用中至关重要。此外，合金在冷热循环条件下表现出优异的抗疲劳性能，能够承受反复的热冲击而不失效。

4 微观结构与强化机制

Nimonic90的强化主要依赖于γ'相[Ni₃(Al,Ti)]沉淀强化。这种金属间化合物在镍基体中以细小的方形颗粒形式析出，有效阻碍位错运动，从而提高合金强度。γ'相的数量、大小和分布状态直接影响合金的性能，而这可以通过精确的热处理工艺进行调控。

在晶界处，碳化物（主要是M₂₃C₆型）以不连续的链状形式析出，这种分布形式有助于提高晶界强度，同时保持良好的塑性。通过控制晶界碳化物的形态和分布，可以优化合金的持久寿命和抗蠕变性能。

合金的晶粒度与热加工工艺密切相关。终锻温度控制在不低于950℃，可避免异常晶粒长大，获得均匀细小的晶粒组织，这对于确保合金性能的均匀性和稳定性至关重要。

5 工艺性能与加工要求

5.1 热加工与锻造

Nimonic90的热加工温度范围为980-1177℃。钢锭装炉温度不应高于700℃，在低温区域需预热20-30分钟，最终加热温度为1150-1180℃。开锻温度应不低于1050℃，终锻温度不低于950℃。需要注意的是，该合金在锻造时易产生内裂，需采用适当的锻造工艺。

5.2 热处理工艺

热处理是优化Nimonic90性能的关键环节，主要包括固溶处理和时效处理两个阶段：

固溶处理：在1080℃±10℃下保温一定时间（根据材料尺寸确定），然后空冷或水冷。目的是溶解合金中的强化相，获得过饱和固溶体。时效处理：在700-750℃下保温4-16小时，空冷。促使γ'强化相均匀弥散析出，达到强化效果。

对于特定产品形式，热处理制度有所调整。冷轧薄板和带材（软态）需在1100-1150℃下软化处理1-10分钟，快速冷却后再在750℃±10℃下保温4小时空冷。

5.3 焊接性能

Nimonic90具有良好的焊接性能，在固溶状态下可进行惰性气体保护钨极电弧焊及闪光对焊。可采用的保护气体包括高纯度氩气、氢气或氦气。常用的焊接方法包括钨极惰性气体保护焊（TIG）、气体金属电弧焊（GMAW）和埋弧焊等。推荐使用ERNiCr-3焊丝进行焊接，以保证焊接接头性能。

5.4 机加工特性

Nimonic90可采用传统机加工方法进行处理，如车削、铣削、钻孔等。由于合金强度较高，建议使用硬质合金或陶瓷刀具，并采用适当的冷却液以减少加工硬化。对于高速加工操作（如磨削、铣削），可使用水基冷却液；对于镗孔、钻孔等操作，则需要使用重润滑剂。

6 应用领域：极端环境下的关键材料

Nimonic90凭借其卓越的高温性能，在多个高技术领域得到了广泛应用：

航空航天领域：主要用于喷气发动机涡轮叶片、涡轮盘、导向叶片、燃烧室部件等核心高温部件。这些部件需要在高温、高应力环境下长期可靠工作，Nimonic90能够满足这些严苛要求。能源发电领域：在燃气轮机和蒸汽轮机中，用于制造涡轮盘、叶片、高温螺栓等部件。在核能领域，用于制造核反应堆的耐热组件和结构材料。化工设备领域：用于制造高温反应器、热交换器、蒸馏塔等设备中的耐高温、耐腐蚀部件。其优异的耐腐蚀性能使其在苛刻的化学环境中也能保持稳定。其他工业领域：用于制造高温弹簧元件、高温紧固件、密封环、卡箍等关键零部件。这些部件在高温下需要保持弹性稳定性，Nimonic90正好满足这一需求。