镍基高温合金由于具有较高的承温能力、较长的持久寿命和较强的高温组织稳定性,广泛应用于航空发动机涡轮叶片和燃气轮机叶片。镍基高温合金的基本元素为Ni、Cr和Al。其中,Ni提供fcc基体,Cr主要对基体进行固溶强化并提高抗氧化性,而Al则主要稳定强化相γ′。为了进一步提高镍基高温合金的承温能力和高温结构稳定性,科研人员往往需要对合金进行大幅度的合金化,合金化元素在铸造高温合金中主要有以下几种作用：Ni、Co、Cr、Fe、W、Mo和Re元素作为基体形成元素,Al、Ti、V、Nb、Ta、Zr和Hf元素则是作为γ′形成元素进行添加,Cr、W、Mo、Ti、V、Nb、Ta、Zr、Hf和C元素促进碳化物的形成,Zr、Hf、C、B和Y可以对晶界(或相界)进行强化,最后Cr、Re、Al、Ta和Y可以提高合金的氧化抗力。这些合金化元素中,Ta和Ti都是γ′形成元素和碳化物形成元素,而Ni和Co的作用比较单一(基体形成元素)。

镍基高温合金的发展始于变形高温合金,例如Nimonic 75,即在80Ni-20Cr热电合金中加入0.3%Ti (质量分数)以及其它元素制备而成。同时,对Nimonic 80合金中Ti元素进行调整,并且改进工艺,研发出Nimonic 80A。科研人员对Co、Ti等元素含量进一步优化,研发出Nimonic 90(GH4090)和Nimonic 95等变形高温合金。研究发现,变形高温合金中,Ta和Ti通过稳定析出相从而对变形高温合金进行强化,其中Ti的添加比较普遍,并且Ti的添加量相对较高。Co可以降低基体的层错能,提高合金的强度。在变形高温合金中降低Co的含量,可以提高γ′相和碳化物的溶解温度,并且抑制连续的网状碳化物在晶粒间形成,从而降低合金的脆性。

为了进一步提高镍基高温合金的性能,科研人员研发出铸造高温合金。通过对铸造高温合金的晶界进行控制,研发出等轴晶铸造合金(如Mar-M200)、定向凝固柱晶高温合金(如PWA1422和单晶高温合金(如René N5)。由于突破了变形工艺的束缚,铸造高温合金中的Ta、Mo和W等高熔点元素的含量得以增加。其中,Co作为基体γ形成元素,在降低基体堆垛层错能的同时,阻止γ′形成元素(Al、Ti和Ta等)进入基体γ,降低了γ′形成元素在基体中的溶解度,从而促进了γ′的析出并提高γ′体积分数。Co同样可以增加Cr、Mo、W和C等元素在基体γ中的溶解度,控制碳化物的析出。等轴晶合金的Co含量通常高于10% (质量分数),如K417G (René 100),但也有无Co等轴晶合金,如K4648。研究发现,去除等轴晶铸造合金Mar-M247合金Co元素,碳化物会在晶界处形成网状结构并引发合金的脆性,同时γ′粗化,γ′体积分数降低。等轴晶铸造合金Mar-M421和定向凝固合金Mar-M247中,拓扑密排相(TCP相)的析出对Co含量的变化敏感。在定向凝固和单晶高温合金中,Co作为固溶强化元素进入γ基体中。通过对定向凝固柱晶高温合金的研究发现,不含Co的定向凝固合金和含有4%Co的定向凝固合金,都可以抑制TCP相的析出。相关研究表明,析出相γ′的稳定性和TCP相的析出是影响镍基高温合金微观结构稳定性的2个重要因素。Co元素在对镍基高温合金的γ相进行固溶强化的同时也促进了合金微观结构的稳定性,抑制了TCP相的析出。在单晶高温合金中,Co和Ru有类似的作用,即较高的Co可以通过调整合金化元素的偏析抑制TCP相的析出。此外,Co元素还可通过提高合金的扩散系数来抑制了TCP相的析出。第三代单晶合金CMSX-10的Co含量较低(3%),但仍然能够维持其组织的稳定性。含Co高温合金的抗蠕变能力对取向偏离度敏感,并且Co的加入可以降低Re和Ta等元素的偏析。此外,Ta和Ti元素在γ′-Ni3Al中替换Al并且促进γ′的析出。在定向凝固合金IN792中,合理的Ta、Ti比例可以改善合金的铸造性能,降低合金对热裂纹的缺口敏感性。单晶高温合金中,Ta作为强γ′形成元素,可以提高γ′体积分数。同时,较高的熔点(Ta,3287 K)可以提高γ′的溶解温度,最终增强γ′的强化作用。Ta也可以提高合金的抗氧化和耐热腐蚀性并提高γ′相的反相畴界能,改善γ′相的稳定性并在长期时效过程中抑制γ′相的粗化。此外,Ta可以进入γ基体从而引起固溶强化,并降低γ基体的堆垛层错能。而Ti同样对γ′相进行强化,并且提高合金的抗热腐蚀性能。但过多加入Ti容易降低合金的铸造性能并缩小热处理窗口。因此,第二代单晶合金DD406以及更高代次的单晶高温合金中,Ti含量很少添加甚至不添加,而Ta含量却增加。