鎳基高溫合金具有較高的高溫強度、良好的蠕變與疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和燃氣輪機等高溫設(shè)備。燃氣輪機和航空發(fā)動機的重要部件在工作中往往承受著高溫、高壓等復(fù)雜循環(huán)載荷的作用，這使得鎳基高溫合金的疲勞和蠕變性能成為高溫設(shè)備設(shè)計和制造工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。
鎳基高溫合金主要由γ基體相和γ′相組成，γ′相是熱處理后析出的一種沉淀強化相Ni3(Al,Ti)，由易在界面區(qū)位錯周圍富集的鋁原子與基體中的鎳和鈦原子結(jié)合形成。經(jīng)過多年的研究，γ′相的強化機制逐漸被人們所認識，其含量和尺寸對鎳基高溫合金的疲勞和蠕變性能也有著重要的影響。目前，研究人員主要通過改變熱處理工藝來獲得不同尺寸和含量的γ′相，從而調(diào)控鎳基高溫合金的強度以及疲勞與蠕變性能。
1、γ′相的強化機制
1、γ′相與合金強度
γ′相是鎳基高溫合金的主要強化相，其尺寸和含量是影響鎳基高溫合金力學(xué)性能的重要因素。
WANG等利用不同熱處理方式獲得了γ′相體積分數(shù)分別為10%和3%以及不含γ′相的Nimonic 263合金試樣，發(fā)現(xiàn)試樣的強度隨著γ′相體積分數(shù)的增加而增大。
JOSEPH等研究了γ′相尺寸分別為43和100 nm的Haynes 282合金在常溫下的拉伸性能，結(jié)果表明含粗大γ′相試樣的屈服強度遠遠低于含細小γ′相試樣。
GAYDA等制備了γ′相體積分數(shù)分別為44%，34%和尺寸分別為250和30 nm的Astroloy合金試樣，發(fā)現(xiàn)合金試樣的屈服強度隨著γ′相尺寸的減小或γ′相體積分數(shù)的增加而提高。PANG等和劉健等對U720Li合金的研究也證實了這一觀點。
可以看出γ′相尺寸的減小和γ′相含量的增加可以有效提高鎳基高溫合金的屈服強度。
2、位錯強化機制
金屬材料的變形主要是通過滑移實現(xiàn)的，位錯理論可以很好地解釋材料力學(xué)性能的變化。鎳基高溫合金中析出的γ′相對位錯運動的阻礙作用強化了合金的強度。
XIAO等將由透射電鏡觀察到的GH4037鎳基高溫合金中的位錯結(jié)構(gòu)與其拉伸試驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，發(fā)現(xiàn)隨著γ′相數(shù)量的減少，位錯與γ′相的相互作用程度降低，導(dǎo)致合金的屈服強度下降。
HU等研究發(fā)現(xiàn)，固溶時效處理的GH4099高溫合金中含有較高含量的γ′相，增加了γ基體中位錯滑移的阻力，因此具有優(yōu)異的拉伸性能。
DEL VALLE等通過對Inconel X-750高溫合金的時效硬化行為進行分析，建立了γ′相與位錯相互作用的關(guān)系模型。
γ′相通過剪切機制和Orowan繞過機制，對位錯的運動起到阻擋作用。γ′相具有LI2長程有序結(jié)構(gòu)，當(dāng)位錯剪切有序的γ′相時，滑移面上下原子的有序排列被打亂，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，阻礙位錯的運動，從而導(dǎo)致鎳基高溫合金強度提高。位錯對γ′相進行剪切后，會產(chǎn)生明顯的斷層面，這也是眾多學(xué)者判斷是否存在剪切機制的方法。
KOZAR等在對IN100鎳基高溫合金中位錯與γ′相的作用機制進行研究后認為，鎳基高溫合金中的剪切機制可分為弱耦合位錯模型和強耦合位錯模型兩種。當(dāng)γ′相尺寸較小時，位錯對可能不存在于單個γ′相中，此時的剪切機制為弱耦合位錯模型；當(dāng)γ′相尺寸較大時，位錯對可同時存在于單個γ′相中，剪切機制為強耦合位錯模型。由兩種模型計算得到的剪切應(yīng)力，可以繪制出弱耦合和強耦合位錯模型的剪切應(yīng)力與γ′相尺寸的關(guān)系圖；隨著γ′相尺寸的增加，鎳基高溫合金中的位錯剪切機制從弱耦合剪切轉(zhuǎn)變?yōu)閺婑詈霞羟?，強弱耦合模型曲線的交點對應(yīng)的γ′相尺寸為臨界γ′相尺寸，此時γ′相的強化作用最強。
當(dāng)位錯在γ′相之間彎曲所需的應(yīng)力小于位錯穿過γ′相所需的應(yīng)力時，就會發(fā)生Orowan繞過機制。位錯繞過γ′相時，在γ′相周圍形成位錯環(huán)，位錯環(huán)的存在減小了γ′相的間距，增大了后續(xù)位錯繞過γ′相的阻力，從而強化了合金。位錯繞過γ′相所需的臨界剪切應(yīng)力與合金的剪切模量、γ′相的尺寸和間距等有關(guān)。隨著γ′相尺寸的增大，繞過γ′相所需的剪切應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)小于位錯穿過γ′相所需的應(yīng)力時，就會發(fā)生Orowan繞過機制。
DEL VALLE等研究發(fā)現(xiàn)，在Inconel X-750鎳基高溫合金中，存在一個臨界γ′相尺寸（40 nm），在臨界尺寸以下位錯剪切機制起作用，反之則是Orowan繞過機制起作用。
SHIN等觀察到不同熱處理的Haynes 282合金表現(xiàn)出混合變形模式，當(dāng)γ′相尺寸為39 nm時合金表現(xiàn)出典型的位錯剪切機制，大于該尺寸變?yōu)镺rowan繞過機制。
綜上所述，當(dāng)γ′相尺寸足夠小時，鎳基高溫合金的強化機制為弱耦合剪切機制，隨著γ′相尺寸的增加，位錯與γ′相的相互作用機制由弱耦合剪切轉(zhuǎn)變?yōu)閺婑詈霞羟?。強、弱耦合模型曲線的交點對應(yīng)于強-弱耦合轉(zhuǎn)變點，此時γ′相對鎳基高溫合金的強化效果最好。隨著γ′相尺寸的進一步增大，γ′相對位錯的阻礙作用減小，當(dāng)位錯繞過γ′相所需的剪切應(yīng)力小于強耦合剪切機制的剪切應(yīng)力時，強化機制由剪切向Orowan繞過機制轉(zhuǎn)變，γ′相對鎳基高溫合金的強化效果減弱。
2、γ′相對疲勞性能的影響
1、位錯滑移的影響
位錯滑移是鎳基高溫合金重要的塑性變形模式。在外加循環(huán)載荷作用下，位錯在裂紋尖端的塑性區(qū)附近增殖，隨后發(fā)生位錯纏結(jié)，使得位錯沿滑移帶的運動受限，當(dāng)位錯累積到一定程度時滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋，從而加速疲勞裂紋的擴展；因此，位錯累積是決定裂紋形核并擴展的重要因素。
γ′相可以通過影響裂紋尖端的滑移特性來影響疲勞裂紋擴展行為；細小和較高含量γ′相的存在有利于提高位錯滑移的可逆性，降低位錯累積程度。
在剪切應(yīng)力作用下，位錯可以沿著特定滑移面進行移動，產(chǎn)生平面滑移。而當(dāng)鎳基高溫合金中有序密集分布的細小γ′相被位錯對剪切后，就會成為組織中的“脆弱”通道，后續(xù)產(chǎn)生的位錯也傾向于由此經(jīng)過，這是γ′相促進鎳基高溫合金平面滑移的主要機制。
在平面滑移條件下，位錯可以在受限的情況下在相對較少的滑移帶內(nèi)來回移動，從而提供更大的滑移可逆性，進而降低疲勞損傷積累程度，增強鎳基高溫合金的裂紋擴展抗力。
2、尺寸的影響
γ′相的尺寸控制著γ′相與位錯的相互作用機制，通過影響強度進而對鎳基高溫合金的疲勞裂紋擴展性能產(chǎn)生影響。較小尺寸的γ′相對鎳基高溫合金的強化效果較好，在提升強度的同時也提高了鎳基高溫合金的抗疲勞性能。
GAYDA等通過Astroloy合金的拉伸和疲勞裂紋擴展試驗，提出了引入屈服強度的裂紋擴展速率模型。BUCKSON等在研究不同溫度下Haynes 282合金的疲勞裂紋擴展行為時，也建立了屈服強度與疲勞裂紋擴展速率間的關(guān)系。
γ′相尺寸是影響疲勞裂紋擴展的主要因素。KIM等對比了γ′相尺寸分別為73.2和161.4 nm的RR1000合金在650 ℃下的疲勞裂紋擴展速率，發(fā)現(xiàn)在同一應(yīng)力水平下，γ′相尺寸較大合金的疲勞裂紋擴展速率高于γ′相尺寸較小合金。
DING等研究了DZ445鎳基高溫合金的高溫（900 ℃）疲勞性能，發(fā)現(xiàn)隨著保載時間延長（0~5 min），γ′相發(fā)生粗化，強化機制由剪切機制變?yōu)镺rowan繞過機制，合金的疲勞性能降低。
WANG等研究發(fā)現(xiàn)，在700和750 ℃下時效時，隨著時效時間延長，GH4586合金的疲勞裂紋擴展速率升高，并且裂紋擴展路徑也逐漸變得平直，這是因為γ′相隨時效時間延長發(fā)生了粗化，影響了裂紋尖端滑移特性的改變。
裂紋擴展路徑受顯微組織特征的影響很大，其曲折程度體現(xiàn)了材料顯微組織抵抗裂紋擴展的能力。佴啟亮等研究了GH4720Li合金的疲勞裂紋擴展行為，結(jié)果表明當(dāng)裂紋遇到γ′相時會發(fā)生偏折，產(chǎn)生較為曲折的裂紋擴展路徑。
LIAW等認為，可以用裂紋閉合效應(yīng)解釋裂紋擴展路徑對疲勞裂紋擴展性能的影響。曲折的裂紋擴展路徑會產(chǎn)生較為粗糙的疲勞斷口，粗糙的斷口表面增強了裂紋面之間的接觸程度，從而促進了裂紋閉合，降低了裂紋尖端的驅(qū)動力。細小的γ′相促進了平面滑移的產(chǎn)生，有助于形成曲折的裂紋擴展路徑，增加粗糙斷口表面誘導(dǎo)的裂紋閉合程度，提升合金疲勞裂紋擴展抗力。
3、γ′相對蠕變性能的影響
1、位錯網(wǎng)絡(luò)的影響
位錯網(wǎng)絡(luò)是鎳基高溫合金在高溫下蠕變的重要特征之一。在外應(yīng)力作用下，位錯在γ′相通道中快速啟動和滑動，并逐漸在γ/γ′界面積累，不同方向位錯之間發(fā)生節(jié)點反應(yīng)和局域重排，從而形成位錯網(wǎng)絡(luò)。位錯網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則與密集程度受γ′相分布的影響。
WANG等對鎳基單晶合金進行了蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)在蠕變過程中位錯在γ′相周圍被激活并開始滑動和增殖，形成的較為規(guī)則的位錯網(wǎng)絡(luò)為位錯提供了更大的阻力效應(yīng)，使得合金的蠕變速率降低；γ′相隨著蠕變時間的延長逐漸粗化，位錯網(wǎng)絡(luò)由規(guī)則均勻分布演變?yōu)槔p結(jié)非均勻分布，大量位錯切入γ′相，導(dǎo)致γ′相失去對位錯的阻力，蠕變速率增加。高溫下γ′相的粗化使位錯網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則程度與密集程度降低，導(dǎo)致蠕變性能降低。
ZHANG等在TMS-75鎳基高溫合金成分的基礎(chǔ)上添加鉬元素，從而提高了組織中γ′相的含量，得到了新型鎳基高溫合金TMS-162，該合金在初始1%應(yīng)變下的蠕變時間約為TMS-75鎳基高溫合金蠕變時間的6倍；通過微觀分析發(fā)現(xiàn)，最小蠕變速率與位錯間距近似成線性關(guān)系，當(dāng)位錯間距由27 nm增長至55 nm時，合金的最小蠕變速率由10-9 s-1增至10-8 s-1，這表明界面位錯網(wǎng)絡(luò)越細，抑制滑移位錯越有效。可見鎳基高溫合金的蠕變性能取決于γ′相所影響的界面位錯網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則與密集程度。
鎳基高溫合金在高溫拉伸或蠕變過程中，作用在位錯上的應(yīng)力不足以使位錯切過或以O(shè)rowan機制繞過γ′相時，位錯會在熱激活作用下以攀移機制通過γ′相。
WANG等研究了鎳基單晶合金蠕變后的位錯結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著蠕變時間延長，γ′相逐漸粗化，使得γ/γ′界面產(chǎn)生的位錯分布不均勻，降低了阻礙位錯攀移的能力，同時建立了合金蠕變速率與可移動位錯密度間的關(guān)系。
2、含量的影響
γ′相含量被眾多研究人員認為是控制鎳基高溫合金蠕變性能的一個重要因素。ABE通過Thermo-Calc軟件估算了740和617鎳基高溫合金中的γ′相含量，結(jié)果表明740合金中的γ′相含量是617合金中的3倍，這使得740合金的蠕變強度遠遠高于617合金。
TORSTER等研究了不同冷卻速率下U720Li鎳基高溫合金在760 ℃/370 MPa下的蠕變性能，發(fā)現(xiàn)具有較高含量γ′相的合金試樣具有更好的蠕變性能。
BHOWAL等認為，γ′相含量主要通過影響γ′相的間距λ來引起蠕變性能的改變，隨著γ′相含量增加，γ′相間距減小，因此RENE 95合金的蠕變性能提高。這與POLLOCK等認為較高含量γ′相通過提高Orowan門檻應(yīng)力增強材料蠕變性能的結(jié)論一致。
DYSON等認為，提高γ′相含量可以使鎳基高溫合金的背應(yīng)力增加，從而改變合金的蠕變強度?；诖?，ORUGANTI等提出了鎳基高溫合金的γ′相與其蠕變行為之間的微觀結(jié)構(gòu)模型。
MURAKUMO等對具有不同含量γ′相的TMS-75鎳基高溫合金進行了高溫蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)γ′相體積分數(shù)在60%~75%時，合金的蠕變壽命達到峰值，當(dāng)γ′相體積分數(shù)超過75%時，蠕變壽命隨γ′相體積分數(shù)的增大而降低。
LUO等觀察了γ′相含量較高合金的微觀結(jié)構(gòu)，認為在蠕變過程中過多的γ′相會以不規(guī)則排列的方式形成藤條形γ′相，藤條形γ′相會破壞原有組織的完整性，從而降低合金的蠕變性能。因此，適量的γ′相對鎳基高溫合金的蠕變性能至關(guān)重要。
3、尺寸的影響
γ′相尺寸通過影響蠕變過程中位錯網(wǎng)格的規(guī)則與密集程度來影響鎳基高溫合金的蠕變速率，從而導(dǎo)致蠕變性能的改變。
PENG等對經(jīng)不同時效熱處理的FGH96鎳基高溫合金進行蠕變性能測試，結(jié)果表明隨著γ′相尺寸的減小，合金的蠕變性能得到顯著的提高。
MAZUR等觀察到燃氣渦輪葉片前端的γ′相平均粒徑比葉片根部提高了33%~89%，這使得葉片前端的蠕變壽命遠遠低于葉片根部。
NATHAL等研究發(fā)現(xiàn)，γ′相尺寸存在最佳值，在最佳尺寸下，鎳基高溫合金獲得最優(yōu)異的蠕變性能，當(dāng)超過這一最佳尺寸時，蠕變性能隨γ′相尺寸的增大而降低。
FENG等在研究淬火冷卻速率對FGH96鎳基高溫合金蠕變性能的影響時，也證實了上述結(jié)論，并建立了γ′相尺寸與蠕變速率之間的關(guān)系，證明蠕變速率與γ′相尺寸呈拋物線關(guān)系。
基于以上研究，PENG等構(gòu)建了相關(guān)蠕變物理模型。剪切應(yīng)力隨γ′相尺寸的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；而剪切應(yīng)力越大，蠕變速率越低，蠕變性能越好：因此，γ′相尺寸同樣對鎳基高溫合金的蠕變性能至關(guān)重要。
3、結(jié)束語
γ′相是鎳基高溫合金中重要的強化相，是研究鎳基高溫合金疲勞和蠕變性能的重要研究內(nèi)容。目前，合金元素、熱處理工藝等對鎳基高溫合金中γ′相析出的影響，以及γ′相對合金強度、疲勞與蠕變性能的影響機理等已形成較為成熟的體系，且γ′相的三維相場等數(shù)值模擬技術(shù)也已能應(yīng)用于工程實踐中。這些研究成果對高性能鎳基高溫合金的開發(fā)具有重要參考價值。
然而，是否存在特定范圍的γ′相尺寸與體積分數(shù)，進而得到性能更優(yōu)的鎳基高溫合金材料，尚未有學(xué)者做出系統(tǒng)性研究。因此，將掃描電鏡、透射電鏡、數(shù)字圖像相關(guān)法等分析表征技術(shù)與基于γ′相的三維相場等數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合起來，建立γ′相的演變與強度、疲勞及蠕變性能的系統(tǒng)性研究理論，獲取給定工藝條件下鎳基高溫合金強度、疲勞和蠕變性能的演變規(guī)律，通過優(yōu)化與調(diào)控鎳基高溫合金中γ′相的尺寸與含量，實現(xiàn)合金綜合性能的協(xié)同提升，是未來研究新型鎳基高溫合金的關(guān)鍵。
來源：《機械工程材料》2023年6期
作者：朱金群1，安春香2，陸翌昕2，朱明亮1，軒福貞1
工作單位：1.華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院
2.上海電氣電站設(shè)備有限公司
第一作者：朱金群，碩士研究生
通信作者（導(dǎo)師）：朱明亮 教授
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