Nimonic 90是英国Henry Wiggin公司（现属Special Metals Corporation）于20世纪中叶开发的镍基沉淀硬化型高温合金，属于Nimonic系列合金的早期代表。该合金专为高温高应力环境设计，广泛应用于航空发动机、燃气轮机和工业高温设备，尤其在750~900℃范围内展现出优异的抗蠕变性能、抗氧化性和持久强度。其通过γ'相（Ni₃(Al, Ti)）沉淀强化与固溶强化结合，成为中高温部件材料的经典选择。
Nimonic 90以镍（Ni）为基体，通过添加铬（Cr）、钴（Co）、钛（Ti）、铝（Al）等元素实现强化，具体成分范围如下（质量百分比）：
元素 | Ni | Cr | Co | Ti | Al | C | Fe | Mn | Si | 其他 |
含量 | 余量 | 18-21 | 15-21 | 2.0-3.0 | 1.0-1.5 | ≤0.08 | ≤1.0 | ≤0.5 | ≤0.5 | B≤0.01, Zr微量 |
关键元素作用：
Ni：基体元素，提供高温稳定性和抗腐蚀性。
Cr：形成致密Cr₂O₃氧化膜，增强抗氧化与抗热腐蚀能力。
Co：提高固溶强化效果，延缓γ'相粗化。
Ti/Al：形成γ'相（Ni₃(Al, Ti)），主导沉淀强化。
B/Zr：微量添加以强化晶界，抑制高温晶界脆化。
参数 | 数值 |
密度（g/cm³） | 8.19~8.30 |
熔点范围（℃） | 1360~1410 |
热膨胀系数（20-800℃, ×10⁻⁶/℃） | 14.0~15.5 |
导热系数（W/m·K, 800℃） | 12.5~14.0 |
电阻率（μΩ·m） | 1.20~1.30 |
温度（℃） | 抗拉强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 延伸率（%） | 持久强度（1000h, MPa） |
20 | ≥950 | ≥650 | ≥20 | - |
750 | ≥700 | ≥550 | ≥12 | ≥180 |
850 | ≥550 | ≥400 | ≥8 | ≥90 |
性能特点：
高温抗蠕变：750℃下持久强度显著优于早期铁基合金。
抗氧化性：在900℃以下可长期服役，氧化增重率低于1 mg/cm²·h。
抗疲劳性：高周疲劳极限（750℃）达350 MPa以上。
Nimonic 90的制造涉及复杂的冶金和加工技术，工艺难点集中在成分控制、组织均匀性及加工效率上。
工艺：真空感应熔炼（VIM）结合电渣重熔（ESR），确保低杂质（O、N、S）含量。
难点：
Ti、Al元素易氧化挥发，需精确控制熔炼气氛。
铸锭易出现枝晶偏析，需通过均匀化退火（1150~1180℃/24h）改善。
锻造/轧制：热加工温度范围为1050~1150℃，需分多道次变形以细化晶粒。
难点：
合金高温变形抗力高，需大吨位设备（如液压机）。
温度波动易导致局部晶粒异常长大或开裂。
固溶处理：1080~1120℃保温2~4小时后空冷，溶解γ'相并均匀化组织。
时效处理：700~800℃保温16~20小时，析出纳米级γ'相（尺寸约20~50 nm）。
难点：
固溶温度过高可能导致晶粒粗化，过低则残留未溶相。
时效参数需匹配零件服役条件，过时效会降低强度。
推荐工艺：惰性气体保护焊（TIG）、电子束焊或钎焊。
难点：
热影响区（HAZ）易析出脆性TCP相（如σ相），需焊后固溶处理（1000℃/1h）恢复韧性。
焊接裂纹敏感性高，需严格控制预热（300~400℃）与层间温度。
刀具选择：优先采用硬质合金（WC-Co）或陶瓷刀具（Si₃N₄）。
难点：
材料加工硬化倾向显著，切削力大，易引发刀具崩刃。
表面易产生残余拉应力，需后续喷丸或电解抛光改善疲劳性能。
航空发动机：涡轮叶片、燃烧室火焰筒、导向器叶片。
燃气轮机：高温螺栓、涡轮盘、密封环。
核工业：反应堆控制棒驱动机构、热交换器管道。
工业领域：高温炉辊、热处理夹具、石化裂解炉管。
Nimonic 90作为经典镍基高温合金，在中高温服役场景中展现了不可替代的优势。然而，其高成本（钴、镍资源依赖）和加工复杂性促使行业寻求替代方案，如粉末冶金合金（如René 95）和氧化物弥散强化（ODS）材料。未来发展方向包括：
工艺革新：增材制造（3D打印）技术降低复杂零件加工难度。
成分优化：通过添加稀土元素（如Y、La）提升抗氧化极限温度。
回收利用：开发高效废料重熔技术以降低资源消耗。
参考文献：
《ASM Handbook, Volume 3: Alloy Phase Diagrams》
AMS 5708（Nimonic 90技术标准）
期刊《Materials & Design》相关研究论文
