铸造高温合金K402（GB/T 14992标准中的牌号）是一种镍基沉淀强化型铸造高温合金，专为极端高温与复杂应力环境设计。该合金通过铝（Al）、钛（Ti）等元素形成γ'强化相，并借助钨（W）、钼（Mo）的固溶强化作用，显著提升高温抗蠕变性、抗氧化性及抗热腐蚀能力。K402圆棒作为其典型产品形态，广泛应用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机喷嘴、核能设备承压部件等领域，尤其适用于1000°C以下长期服役的严苛工况，是支撑现代高端装备制造的核心材料之一。
K402合金的化学成分经过精密设计，旨在平衡高温性能与铸造工艺性，主要成分范围如下：
镍（Ni）：基体元素，占比约50%~60%，提供高温组织稳定性与耐蚀性骨架。
铬（Cr）：15%~20%，增强抗氧化能力，尤其在含硫、钒的燃烧环境中表现优异。
钴（Co）：10%~15%，延缓γ'相高温粗化并提升固溶强化效果。
钨（W）和钼（Mo）：总量约5%~8%，通过原子置换强化基体，显著提高抗蠕变性能。
铝（Al）和钛（Ti）：总量5%~7%，形成γ'相（Ni₃(Al,Ti)）作为主要沉淀强化相，提升高温持久强度。
微量元素：包括硼（B）、锆（Zr）等，强化晶界，改善高温塑性及抗疲劳性能。
该合金通过γ'相沉淀强化与多元固溶强化协同作用，在高温下保持组织稳定性，长期服役后仍具备优异的力学性能。
物理性能
密度：约8.4~8.6 g/cm³，与同类镍基铸造合金相当。
熔点：约1340°C~1380°C，适合高温精密铸造工艺。
热膨胀系数：20°C~1000°C范围内为14.5~16.5×10⁻⁶/°C，与陶瓷热障涂层匹配性良好。
导热系数：约11 W/(m·K)，减少热冲击导致的应力集中。
机械性能
室温抗拉强度：≥950 MPa，延伸率≥6%。
高温强度：在950°C下抗拉强度≥500 MPa，持久强度（1000小时）≥200 MPa。
抗蠕变性能：在900°C/250 MPa条件下，稳态蠕变速率≤5×10⁻⁹/s。
硬度：铸态硬度约320~380 HV，经热处理后可提升至420 HV以上。
K402圆棒采用真空感应熔炼（VIM）结合定向凝固技术制备，通过控制凝固速率与温度梯度优化晶粒取向（如柱状晶或单晶结构），直径范围通常为30~250 mm，长度可达4米。其核心优势包括：
高温性能各向异性：定向凝固圆棒的纵向力学性能显著优于横向，适用于承受单一方向高载荷的部件。
近净成形能力：精密铸造可减少后续加工量，降低材料损耗与成本。
表面质量：铸态表面粗糙度Ra≤8 μm，支持直接涂层处理（如热障涂层TBC）。
航空发动机高压涡轮叶片
作为涡轮叶片材料，在高温燃气（>900°C）中承受离心力与热应力，抗热腐蚀性能延长叶片寿命。
工业燃气轮机燃烧室喷嘴
用于制造燃油喷嘴或火焰筒，耐受高温氧化与硫化物腐蚀，提升燃烧效率。
核电反应堆堆内构件
作为控制棒导向管或支撑柱，在辐射与高温高压水环境中保持结构完整性。
石化裂解炉辐射段炉管
在乙烯裂解炉中用于制造炉管支架，抵抗渗碳与高温蠕变变形。
熔炼与铸造
采用双真空熔炼（VIM+VAR）工艺，确保低氧（≤50 ppm）、低氮（≤80 ppm）含量。
定向凝固时冷却速率控制在3~10°C/min，避免杂晶缺陷。
热处理
固溶处理：1200°C~1240°C保温4~6小时，快速冷却以溶解粗大γ'相。
时效处理：850°C~900°C保温20~30小时，促进细小γ'相均匀析出，提升强度。
机械加工
车削采用CBN（立方氮化硼）刀具，切削速度≤30 m/min，避免加工硬化。
磨削需使用金刚石砂轮，冷却液充分供给以防止热损伤。
表面强化
渗铝或铂改性铝涂层，提升抗氧化与抗热腐蚀性能。
激光熔覆钴基合金涂层用于修复磨损表面。
当前局限性
工艺复杂性：定向凝固技术要求严苛，设备投资与能耗较高。
资源依赖：高钴、钨含量导致成本受国际市场波动影响显著。
技术突破方向
单晶化技术：开发低成本单晶圆棒制备工艺，提升高温疲劳性能。
增材制造融合：结合3D打印与铸造技术，制造内部含冷却通道的复杂部件。
再生循环利用：建立废料回收体系，降低战略金属资源消耗。
铸造高温合金K402圆棒凭借其卓越的高温强度、抗蠕变能力及定向凝固工艺优势，成为航空、能源等高端领域的关键材料。随着航空发动机推重比与燃气轮机热效率的持续突破，对材料耐温极限与可靠性的需求日益迫切。未来，K402合金将通过工艺智能化、复合化改性及绿色制造技术的应用，进一步拓展其在超高温、高腐蚀环境中的应用边界，为工业技术进步提供核心支撑。
