通过分形金属氧化物提升水泥基复合材料热电性能的新方法

《Journal of Alloys and Compounds》：A Novel Approach to Boost Thermoelectric Properties in Cementitious Composites via Fractal Metal Oxides

GH4975超合金通过定制化缓冷与短时保温热处理形成锯齿状晶界（SGBs），在20-850℃下实现超过20%的延伸率与抗蠕变性能提升2.04倍，机理涉及γ'相生长迁移驱动晶界重构，抑制裂纹扩展并促进塑性变形。

　　

王一琳|谭毅|李鹏婷|邵小红|杨华杰

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连116023

摘要

在金属和合金中实现拉伸性能与抗蠕变性能之间的平衡仍然是一个巨大的挑战，特别是对于γ′体积分数极高的多晶超级合金而言。在这项工作中，我们证明了通过定制的缓慢冷却和短时间保温热处理引入锯齿状晶界（SGBs）可以有效地提高γ′体积分数为64%的GH4975超级合金的延展性和蠕变寿命。经过SGB改性的合金在20至850°C的温度范围内具有超过20%的拉伸伸长率，同时保持较高的屈服强度，并且在850°C/412MPa的应力下具有300小时的显著蠕变寿命，这是具有直晶界的合金的2.04倍，也是在同一条件下GH4975合金报道的最高值的3倍。我们发现SGB的形成是由γ′相沿着晶界的生长和迁移驱动的，这通过促进晶界处的低位错密度区域来促进塑性变形，并通过减少应力集中和阻碍微裂纹的扩展来增强抗蠕变性能。此外，我们建立了一个关于由MC碳化物断裂引起的微裂纹形成的半定量模型，并确定了主要的蠕变变形机制为位错剪切和堆垛错的形成。本研究提供了一种可行的晶界工程策略，以协同优化高温多晶超级合金的强度和损伤容忍度。

引言

多晶镍基超级合金由于其优异的高温机械性能、耐腐蚀性、成本效益和工艺可控性，在航空发动机涡轮盘应用中不可或缺[1]，[2]。随着航空发动机设计向更高进气温度发展，涡轮盘材料的热耐久性也必须相应提高。在候选材料中，GH4975合金是一种多晶变形超级合金，具有最高的合金化程度（W+Mo+Co+Cr超过40wt.%）和目前报道的最高γ′相体积分数（约64%）[3]，[4]。它也是唯一一种可以在850°C下长期使用的涡轮盘材料，被认为是新一代航空发动机涡轮盘材料的潜在候选者。

涡轮盘在高温服役期间长时间受到离心力和热应力的作用，因此要求材料具有优异的机械性能和抗蠕变能力。不幸的是，同时优化不同的高温性能仍然是一个巨大的挑战，尤其是在多晶材料中。对于GH4975超级合金，通过增加γ′相体积分数或添加额外的难熔元素来进一步提高其机械性能和抗蠕变性能的尝试，不可避免地会引发严重的可制造性和变形性恶化，从而带来巨大的工程挑战[1]。在高温服役条件下（服役温度超过材料的等强度温度），晶界成为合金的薄弱区域。因此，通过晶界工程优化晶界形态成为了一个有前景的替代方案。特别是，锯齿状晶界（SGB）已被证明可以有效阻碍裂纹沿晶界的扩展，同时提高抗蠕变性能和塑性，而不会显著削弱晶内强化作用。因此，对于已经达到承受温度上限的GH4975合金来说，引入SGB被视为一种关键策略，可以在不显著恶化其他性能的情况下协同优化其强度和损伤容忍度。

SGB作为一种晶界强化机制，最初由Miyagawa和Larson在1976年提出。通过热机械处理诱导晶界迁移和沉淀驱动的粗糙化形成SGBs，已被证明可以延缓裂纹沿晶界平面的扩展，从而提高镍基超级合金的抗蠕变性能和延展性[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。例如，Tang等人通过SGB工程将Inconel 600在815°C/70MPa下的应力断裂寿命提高了40%[6]。Luo等人通过一种新的热处理方法在Fe-Cr-Al合金中形成了密集的SGB网络，同时提高了强度和塑性[7]。Yeh等人通过δ相驱动的SGB形成将IN718的蠕变寿命延长了30%[8]。这些进展突显了沉淀物类型（如MC碳化物、δ相）和沉淀温度在控制不同合金系统中SGB形成路径中的关键作用[9]，[10]。尽管SGB已在多种镍基超级合金中进行了研究，但对于目前γ′相体积分数最高的GH4975合金，其形成机制、关键控制参数及其对机械性能的定量影响仍缺乏深入探索。黄等人之前对GH4975热处理的研究主要集中在热处理过程对晶界锯齿化的影响及其初步机制上[11]。SGB的形成机制及其对拉伸蠕变性能的影响尚未系统阐明。

最近，我们的团队开发了电子束熔炼层凝固（EBSL）技术，以解决高性能超级合金中长期存在的严重偏析和粗大沉淀问题[12]。EBSL技术已被证明可以消除GH4975合金的宏观偏析，减少30-50%的微观偏析，并将沉淀物尺寸细化几个数量级[13]，[14]，并且实现了100公斤GH4975锭的热挤压[15]。在此基础上，我们系统研究了热处理参数对挤压GH4975合金中SGB发展的影响。通过综合机械测试和微观结构表征，我们旨在阐明GH4975中SGB形成的热激活路径，并分析SGB对机械性能的影响。此外，我们还建立了MC碳化物的关键断裂模型，并揭示了合金的蠕变变形机制。这项工作不仅阐明了GH4975的结构-性能关系，还为具有高γ′体积分数的高性能多晶超级合金提供了一种通用的晶界设计策略。

章节摘录

材料制备和热处理

GH4975超级合金是通过EBSL技术制备的，随后进行了均匀化和热挤压处理，这些加工步骤的详细参数在我们之前的报告中提供[13]，[16]。该合金的名义化学组成为Ni-5.10Al-2.37Ti-8.5Cr-14.92Co-1.55Nb-1.22Mo-9.71W-0.12wt.%。图1(a) - (d)展示了挤压后的微观结构，由平均尺寸为9.4 ± 1.2 μm的细小等轴晶粒组成，这是通过线性截距法确定的

各种热处理后的微观结构

图2展示了EBSL-SHT和EBSL-HT2合金的晶粒形态和微观结构。如图2(a) - (d)所示，两种合金均表现出等轴晶粒结构，EBSL-SHT合金的平均晶粒尺寸为104.6 μm，EBSL-HT2合金的平均晶粒尺寸为128.2 μm，这是通过线性截距法确定的。一个明显的区别在于γ′相的分布和晶界形态，EBSL-SHT合金在直晶界内均匀分布着细小的γ′沉淀物，而EBSL-HT2合金则不然

GH4975合金中SGB的形成机制和关键参数

超级合金中SGB的形成通常被认为与次级相（如η相、γ′相和碳化物）沿晶界的沉淀、生长和迁移密切相关[3]，[5]，[7]。一般来说，缓慢冷却有利于SGB的发展，而快速冷却则倾向于保持直晶界。为了阐明GH4975合金中SGB形成的潜在机制和关键参数，实施了一系列热处理，如表1所示

结论

本研究系统研究了通过定制的两步溶液热处理引入的SGB对EBSL GH4975多晶超级合金的微观结构、拉伸性能和抗蠕变性能的影响，该合金的γ′体积分数高达64%。主要结论如下：

(1) 在EBSL-HT2合金中引入SGBs能够在不降低高屈服强度的情况下，实现优异的延展性和抗蠕变性能的结合。

CRediT作者贡献声明

王一琳：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，数据可视化，方法论，研究，资金获取，数据管理，概念化。谭毅：资源获取，方法论，研究，资金获取。杨华杰：验证，方法论，研究，资金获取。李鹏婷：数据可视化，项目管理，方法论，研究。邵小红：资源获取，项目管理，方法论，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢来自先进材料-国家科技重大项目（项目编号2024ZD0601000）、中国博士后科学基金会（编号2025M780130）、国家自然科学基金（编号52571035）、江苏省创新创业人才项目（编号JSSCRC2023543）和江苏省基础研究计划（编号BK20243005）的财政支持。