一种新型可焊接镍基超级合金的抗蠕变性能及变形机理

《Materials Science and Engineering: A》：Creep resistance and deformation mechanisms of a novel weldable Ni-based superalloy

镍基超合金高温蠕变特性及变形机制研究：针对航空发动机800℃级高温部件，通过760-870℃和186-480MPa宽域测试，揭示了应力-温度依赖的蠕变机制演变规律，包括Orowan绕过机制、γ'剪切及孤立堆垛层错等主导机制，发现该新型合金的应力断裂强度显著优于C263和Haynes 282等商用合金，并阐明了不同条件下的断裂模式差异。

　　

高磊|张俊豪|朱健|高继民|吕匡|吴贵根|吴一东|惠希东

北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，中国北京 100083

摘要

本研究系统地研究了专为航空发动机设计的新型可焊接镍基超级合金的蠕变性能，该合金能够承受800°C以上的温度。实验在760°C至870°C的温度范围内进行，施加的应力从186 MPa变化到480 MPa。通过对蠕变变形过程中微观结构演变的详细分析，阐明了其背后的蠕变变形机制。值得注意的是，根据Larson–Miller参数的量化，这种新型超级合金的应力断裂强度超过了其他可焊接超级合金（如C263和Haynes 282）。其卓越的蠕变抗力归因于特定的变形机制，这些机制取决于具体的测试条件。在760°C时，蠕变机制从420 MPa时的Orowan旁路机制转变为480 MPa时的位错对引起的γ′剪切。在815°C时，蠕变机制主要涉及γ′中的孤立堆垛故障。在870°C时，位错弓形变形主导了稳态蠕变阶段，导致蠕变速率降低。有趣的是，在加速蠕变阶段，出现了位错对剪切机制，在蠕变终止时观察到γ′内的交叉堆垛故障和孤立堆垛故障。

引言

先进航空发动机的热部件（如燃烧室）需要能够在800°C以上长期服役的同时保持优异焊接性能的镍基超级合金。这一需求是由发动机推重比和运行效率的不断提高所驱动的[1]。尽管现有的可焊接镍基超级合金为航空发动机应用奠定了基础，但它们的性能仍无法完全满足苛刻的服务条件，具体存在以下限制。IN718合金占全球铸造镍基超级合金产量的半数以上[2][3]，它在抗拉强度、铸造性和焊接性方面具有良好的平衡[4]。然而，当温度超过650°C时，其γ″强化相变得不稳定，使其不适合用于高温部件[5][6]。Haynes 282[7]和C263[8]作为替代的可焊接超级合金，具有比IN718更高的服务温度，但它们的高温强度仍达不到理想标准。γ′强化的IN939合金在800°C时具有服务能力[9][10]，但其较差的焊接性限制了其修复和再制造应用[11][12]。K439B合金在焊接性和机械性能方面优于C263和IN939合金[13]，但仍需进一步提高焊接性以适应先进发动机日益复杂的大型铸造结构。因此，如何实现镍基超级合金在高温性能和焊接性方面的协同突破是一个亟待解决的问题。

利用高通量热力学计算，我们之前开发了一种专为800°C级航空发动机热部件设计的新型铸造γ′强化镍基超级合金。与IN718（650°C以上γ″不稳定）、IN939（焊接性差）或K439B（大型铸件焊接性有限）不同，这种合金实现了独特的平衡：在高度受限的焊接性测试中，其裂纹长度仅为3.7毫米，远低于K439B的约6.2毫米，而其在800°C时的抗拉强度超过了IN939。这些优点源于对难熔元素的精确调整，以抑制凝固裂纹，这代表了可焊接高温铸造合金的关键突破[13][14]。

蠕变变形和断裂是导致航空发动机超级合金部件在长期高温服役下失效的关键因素[15]，因此阐明蠕变机制对于优化合金设计和预测使用寿命至关重要。迄今为止，学者们对铸造镍基超级合金的蠕变机制进行了广泛研究。L.B. Alkmin等人[16]研究了MAR-M246合金的蠕变行为，发现TCP沉淀和碳化物分解会降低蠕变性能，800°C时γ′剪切占主导地位，但他们的研究仅针对单一温度，缺乏广泛的参数覆盖。Galindo-Nava等人[17]强调了γ基体堆垛故障能量在调节蠕变速率中的作用，通过影响故障起始和γ/γ′剪切，但他们的研究没有考虑温度和应力的协同效应。Manonukul等人[18]基于γ′大小分析了C263合金的蠕变机制转变（颗粒剪切与位错攀移），但仅限于接近固溶线的条件。Du等人[19]和Sun等人[20]揭示了应力/温度依赖的机制转变，但他们的测试范围较窄。尽管这些研究加深了对镍基超级合金蠕变机制的理解，但它们主要关注单一或狭窄的温度-应力范围，未涉及广泛温度和应力变化对变形机制的协同效应。

在此背景下，我们对新开发的可焊接镍基超级合金的蠕变行为和潜在变形机制进行了系统研究。进行了覆盖760–870°C（广泛的服务温度范围）和186–480 MPa（代表性的服务载荷范围）的蠕变测试，并通过详细的微观结构分析来阐明温度和应力依赖的蠕变和断裂机制。这些结果为高强度、可焊接镍基合金的材料选择提供了关键指导。

实验

新型超级合金的化学成分见表1。采用纯度超过99.95%的原材料，通过熔模铸造方法制备了圆柱形棒材（长度80毫米×直径13毫米）。浇注温度和模具壳温度分别为1400°C和930°C。铸件棒材经过了一系列热处理：1160°C下固溶处理4小时，随后进行两阶段时效处理，分别为1080°C/4小时和845°C/20小时。

初始微观结构

图1展示了经过标准热处理后的合金微观结构。微观结构主要由微米级的粗晶组成。MC碳化物均匀沉淀在基体中，而M₂₃C₆碳化物以不连续的链状分布在晶界（GBs）上。树枝晶干部和晶间区域的γ′相呈球形，并在基体中均匀分布。

蠕变性能

新型合金的蠕变应变与蠕变时间曲线

结论

本研究系统研究了专为800°C级航空发动机热部件设计的一种新型可焊接镍基超级合金的蠕变行为、变形机制和断裂特性，在广泛的服务相关条件（760–870°C，186–480 MPa）下进行了研究。主要发现总结如下：

• (1)
  新合金的应力断裂蠕变强度优于商业可焊接合金（如C263和Haynes 282），这一点通过Larson-Miller参数得到体现

CRediT作者贡献声明

朱健：研究。张俊豪：概念化。高磊：撰写——原始草案、方法论、研究。惠希东：撰写——审阅与编辑、资源。吴一东：撰写——审阅与编辑。吴贵根：方法论。高继民：研究。吕匡：形式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

目前无法共享重现这些发现所需的处理数据，因为这些数据也是正在进行的研究的一部分。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国航空发动机公司的自主创新专项基金项目（ZZCX-2022-040）和中国国家重点研发计划（编号2022YFB3705000）的支持。