通过紧凑的γ′/γ″共沉淀设计提高镍基超合金的抗蠕变性能

《Materials Science and Engineering: B》：Improvement of creep resistance in Ni-based superalloys via compact γ′/γ″ co-precipitation design

　　

周胜宇|张晓晨|李冲|郭倩颖|夏行川|刘永昌

中国天津大学材料科学与工程学院高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，天津 300350

摘要

由于γ′和γ′′沉淀物的协同强化效应，镍基超合金成为航空航天燃气轮机和先进超超临界发电厂关键部件不可或缺的结构材料。在本研究中，通过调整(Al+Ti)/Nb的原子比（从1.61（合金A）变为0.96（合金B）来调控沉淀物微观结构，从而实现了两种不同的微观结构：合金A具有γ′/γ′′共沉淀物，其中细小的γ′′相包裹着粗大的γ′相；而合金B则表现出另一种微观结构。在650°C和300 MPa条件下进行的蠕变试验表明，这种微观结构差异对机械性能有显著影响。值得注意的是，紧密包裹的γ′/γ″微观结构使合金B的蠕变断裂寿命延长至622.3小时，而合金A仅为300.8小时。透射电子显微镜观察显示，两种合金的蠕变变形机制不同：合金A通过粗大γ′相中的孤立SESF剪切变形，而合金B则通过紧密包裹的γ′/γ″结构中的SISF传播以及伴随的位错剪切变形。

引言

提高燃气轮机的效率是实现航空航天和能源领域节能减排的重要策略，这要求燃气轮机保持高温稳定性和结构可靠性。[1],[2],[3],[4],[5]。由于镍基超合金在高温环境下的优异抗氧化性和机械性能，它被广泛应用于航空航天、航空和发电领域[6],[7],[8],[9]。许多常用的镍基超合金包含两种主要的晶内沉淀相——γ′和γ′′。通常，镍基超合金通过γ′相或γ″相得到强化。γ′相具有面心立方L1₂结构，从过饱和的γ基体中沉淀出来；而γ″相具有体心四方D0₂₂晶体结构[10],[11],[12]。

γ′相主要由Ni₃(Al, Ti)组成，其与γ基体具有相干性。γ′相的两种典型形态为球形和立方形，这取决于晶格失配的程度[13]。尽管γ′相在高温下可以保持稳定，但在缓慢冷却过程中容易发生严重过时效。此外，长时间热暴露后，粗化的γ′沉淀物容易引起局部变形不匹配，从而降低超合金在高温下的蠕变抗力[14]。另外，盘状的γ′′（Ni₃Nb）相与面心立方（FCC）γ基体保持定向关系——{100}_γ′′//{100}_γ和<100>_γ′′//<100>_γ[15],[16],[17]。作为一种热力学亚稳相，γ′′相在923 K（650 °C）以上会迅速粗化，并最终转变为热力学稳定的δ相[18],[19],[20]。这些微观结构变化导致材料强度和疲劳寿命降低，使其不适合用于未来的燃气轮机发动机应用。

通常，在镍基超合金中，γ′和γ″相在冷却过程中会以独立颗粒的形式共沉淀[21]。由于Al、Ti和Nb是镍基超合金中γ′/γ′′相的主要组成元素，这三种元素的含量以及(Al + Ti)/Nb比值的微妙变化会对γ′/γ′相的沉淀行为和最终微观结构产生深远影响。以往的研究已经探讨了提高γ′和γ′′相热稳定性的方法。已知γ′相对Nb具有一定的溶解度，减少Ti的含量可以进一步增强这种溶解度，有效防止或延缓γ″相的形成[21]。随着Nb浓度的增加，Nb倾向于进入γ′相，替代Al并增加反相边界（APB）能，从而提高γ′相的稳定性[22]。此外，γ′和γ′′沉淀物的形态受镍基超合金中Al、Ti和Nb成分比的影响。通过降低镍基超合金中的(Al + Ti)/Nb原子比，可以获得γ′-γ′-γ″三明治沉淀结构[21]。除了γ′-γ′-γ″三明治微观结构外，通过将Inconel 718超合金中的Nb含量调整至3.5%（重量百分比），还可以形成特殊的“紧凑形态”沉淀模式，其中γ′′相分布在立方形γ′相的表面[23]。

γ′和γ″相的协同共沉淀在镍基超合金的高温强化中起着重要作用。已知γ′/γ″共沉淀物的形成能有效阻碍位错运动并提高机械性能，而γ′/γ″相的强化效果主要取决于它们的具体形态和分布[24],[25]。本研究通过成分优化和特定的热处理手段，调控了具有不同γ′/γ″沉淀物的镍基超合金的微观结构演变。目的是定量评估这些不同γ′/γ″微观结构对机械性能的具体影响，为γ′/γ′强化镍基超合金的微观结构优化提供可靠的实验数据。

章节摘录

材料制备

初始的镍基超合金铸锭采用真空感应熔炼（VIM）和电渣重熔（ESR）技术制备，并使用线切割机切割成尺寸为14 mm × 14 mm × 90 mm的矩形块状样品。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定了两种合金的化学成分。表1显示了两种不同镍基超合金的名义成分。

微观结构表征

图2展示了热处理后镍基超合金的扫描电子显微镜（SEM）微观结构。如图2a所示，合金A的晶界处观察到不连续的粗大γ′相。如图2b所示，合金A样品主要由大尺寸的γ′相组成，这些γ′相呈不规则的球形，未观察到明显的γ″相。随着(Al + Ti)/Nb比值从1.61降至0.96，晶界处密集分布着块状

蠕变变形行为

图7展示了两种样品的应力断裂形态。图7a显示了合金A的断裂截面形态。合金A的晶界处主要沉淀有粗化的γ′相，δ相分布不均匀。不连续的沉淀物未能有效固定晶界，导致高温蠕变过程中应力集中严重。如图7b中的蓝色箭头所示，明显的裂纹

结论

通过调整(Al+Ti)/Nb的原子比并进行后续热处理，镍基超合金的微观结构发生了演变，形成了紧密包裹的γ′/γ′′沉淀物微观结构。明确了不同微观结构与相应蠕变性能之间的关联后，得出以下主要结论：

(1)

热处理后，合金A（(Al+Ti)/Nb原子比=1.61）形成了细小的γ″沉淀物（平均长度：22.2 ± 6.2 nm）

CRediT作者贡献声明

李冲：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。郭倩颖：资源获取、资金获取、正式分析。周胜宇：撰写——初稿、方法设计、实验研究、数据整理。张晓晨：资源获取、实验研究。夏行川：正式分析。刘永昌：指导

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

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致谢

作者感谢国家自然科学基金（批准编号：52122409和52374396）提供的财政支持。