长三角G60激光联盟陈长军导读：镍基高温合金凭借优异的高温力学性能，在燃气轮机领域得到广泛应用。随着对发动机效率要求的不断提升，单晶高温合金应运而生，它能规避高温下有害晶界效应对材料性能的削弱。不过，动态再结晶和应力腐蚀开裂等现象在多晶与单晶材料中均较为常见。其中，单晶合金多用于航空航天领域的燃气轮机叶片，变形合金则适用于涡轮盘及辅助部件。本文综述探讨了非立方析出相的不良影响，以及工作流体中氧分压对合金氧化的作用；添加稀土元素对合金凝固性能、强度及微观力学等方面的影响，已成为高温合金研究的重要部分。强化现象和微观结构特征对温度与外加负载十分敏感，但其作用机制尚未完全明确。研究发现，数十年的合金发展对滑移系在工作环境中的响应速率影响显著，而原生滑移系 <110>{111} 始终未变，材料屈服行为发生转折的异常屈服温度受成分影响也不明显。然而，航空业对燃油效率的持续追求，正推动研究人员开发具有更高耐火性的高效高温合金。

<1. 引言>

高压燃气轮机的涡轮叶片需要在高温和侵蚀性环境中承受负载，此外，涡轮第一级的负载主要承受工作流体的不均匀进入 。发动机的核心效率在很大程度上取决于可达到的最高温度，这就要求热端部件在运行过程中具有冶金稳定性 。现代航空发动机的压缩比可达 40:1，一级入口处工作流体的马赫数至少为 1，温度高达 1000°C，此外，燃烧副产物进一步加剧了材料的工作环境 。在这种条件下运行的材料不仅应具有高熔点，还应具备一些功能特性，这些特性决定了材料随时间变化的结构完整性，如成分稳定性、对氧化等劣化因素的固有抗性、断裂强度，以及在某些情况下对工作流体引起的侵蚀和疲劳的抗性 。通过表面涂层来应对工作环境对涡轮叶片等部件的侵蚀，而使用单晶合金来实现高温力学性能。镍基高温合金在服役过程中会发生筏化现象，削弱材料性能，有研究报道称通过修复处理可将材料性能恢复到可接受的水平 。在过去几十年里，关于提高耐腐蚀性的研究主要集中在涂覆涂层或开发自钝化材料 。Stoloff 等人提到了位错与复杂堆垛层错（CSF）和反相畴界（APB）等特征相互作用形成部分位错的主要机制 。Stoloff 等人进一步讨论了各种合金元素对通过不同技术加工的合金的蠕变断裂性能和可加工性的影响，这些影响涉及到元素在 Ni₃Al 晶界的扩散 。位错动力学有助于理解在模拟实际工况的不同温度下，服役过程中由局部成分变化辅助的变形机制 。目前最先进的镍基高温合金将材料物理与模拟环境中的材料性能联系起来。聚类分析是一种利用元素的电子结构来模拟稳定相形成的方法 。原子模型在高温合金设计中变得越来越重要，因为它可以模拟相稳定性、位错动力学、占位情况、筏化动力学等 。这篇综述整合了近期关于镍基高温合金、成分特点以及合金性能的研究。它解释了二次相对合金力学行为的综合影响，与传统方法不同，传统方法将各种相分别确定为强化相和有害相。分析了近期专利合金的构型熵，新兴镍基高温合金的熵水平正在接近中等熵水平（1.5R kJ・mol⁻¹）。作者试图深入了解成分、工作温度和材料响应之间的相关性，强调了很少被讨论的自发筏化现象。该综述还提出，需要为燃气轮机发动机开发新的燃料系统，以克服由于高温合金密度增加而导致的设计限制。

<2. 镍基高温合金的发展历程>

高温合金的发展受到两个重要因素的影响：高温力学性能和抗氧化性。这反过来又导致了根据应用和成分对高温合金进行分类。尽管变形高温合金和沉淀强化高温合金的微观结构存在显著差异，但这两类合金的发展几乎是同时发生的。

2.1 变形合金向沉淀强化合金的转变

根据成分，高温合金可分为铁基、钴基和镍基高温合金。铁基、钴基、铁 - 镍基和铁 - 镍 - 铬基是早期的高温合金，通常以变形合金的形式生产，而镍基高温合金是高温合金中出现较晚的一类 。然而，大多数 Fe - Ni - Cr 合金被认为是铁基高温合金。后来，通过向合金体系中微量添加碳，变形合金最初被改造成沉淀强化合金，这导致了碳化物的析出。

镍基高温合金成分的逐渐变化导致了初生析出相物理结构的改变。基体（γ 相）在整个镍基高温合金范围内是无序的面心立方结构。初生析出相已从非立方碳化物类型演变为具有 Ll₂结构的立方 Ni₃(Al, Ti)。Hermann 等人报道，在 IN 617 变形合金中，Ni₃Al 是次要相，而 M₆C 是主要析出相 。类似地，沉淀强化的 Hastelloy 和 nimonic 合金在颗粒结构中含有碳化物析出相 。

2.1.1 开发沉淀强化高温合金的元素

Astroloy 是一种含有大量镍 - 钴且不含铁的合金，是本文作者所知的第一种形成 Ni₃Al 的合金，其析出相具有立方形态。Astroloy 具有颗粒状微观结构，析出相在晶粒内部形成，在 760°C 时屈服强度为 910MPa。像 IN 718 这样的 Ni - Fe 基高温合金在 650°C 的较低温度下，屈服强度为 860 - 1090MPa 。

高温合金成分发展的必要性通常基于以下原因，但不限于这些：

• 主要强化相的高温稳定性
• 实现均匀凝固
• 消除不良相
• 高温力学性能（断裂、蠕变等）

如第 3 节所讨论的，通过添加难熔元素可以提高高温性能。图 1 描述了镍基高温合金的发展阶段及其材料强化的主要机制。

图 1：高温合金微观结构和温度能力的演变

2.2 航空航天和电力应用高温合金发展的差异

高温合金可分为铁基、镍基和钴基高温合金，但根据应用，高温合金也可分为航空航天和工业燃气轮机（IGT）合金。这两种合金的显著区别在于所施加负载的性质。在航空航天应用中，高温合金用于制造涡轮部件。尽管航空发动机涡轮叶片和地面涡轮机的主要运行负载分布相似，但航空发动机的涡轮叶片还必须承受由于飞行机动、反复启停循环等带来的额外负载。用于地面涡轮机的高温合金一旦承受蠕变负载和高温氧化，就必须能够长时间运行，长达 10,000 小时 。用于 IGT 应用的合金需要在长时间高温暴露于氧化环境下保持性能，因此需要采取措施提高材料的抗氧化性。用于 IGT 应用的镍基高温合金含有较高的铬浓度；相比之下，用于高压涡轮（HPT）应用的航空航天合金铬含量较低，但难熔金属含量增加。然而，有报道称 HPT 合金具有增强的结构和氧化性能 。

值得注意的是，用于燃气轮机叶片应用的新一代航空航天合金铬含量较低，并且严格避免可能导致拓扑密堆（TCP）和其他相（如 β - NiAl）形成的成分，这些相会降低部件的性能 。新一代合金的力学性能源于通过改变 γ/γ' 界面特性，在高温下长时间稳定 γ' 析出相。添加铼和钌可以显著改善力学性能。Huang 等人汇编了关于强化机制的观点，不过也指出仍需进一步研究 。关于镍基高温合金发展的研究可分为两类，一类是针对发动机轴和涡轮盘等应用进行晶界工程，另一类是针对涡轮叶片应用开发单晶合金。大多数镍基高温合金在工作温度下呈蠕变脆性，而变形高温合金则具有蠕变延展性。因此，变形合金通常用于 IGT 应用，但在 HPT 航空发动机燃气轮机中仅限于涡轮盘应用。在为燃气轮机应用开发的所有高温合金中，用于涡轮盘应用的合金数量较少。一般来说，涡轮叶片还需要抵抗磨损，以防止工作流体的级间泄漏，带有耐磨尖端的燃气轮机叶片是通过在叶片尖端进行激光辅助表面沉积富碳高温合金来加工的。由于基体和涂层成分不同，还需要考虑耐磨高温合金涂层与叶片表面之间界面的扩散问题。然而，碳化物基沉积会抑制相对较软的可磨耗衬里的扩散 。Suzuki 等人声称制备出了一种不含铼但具有与含铼成分相当的良好蠕变和抗氧化性能的单晶合金。在没有铼的情况下，合金具有相似的蠕变抗性，这可能是由于难熔元素含量增加，以及随后在高温下进行适度时间的固溶处理和时效处理。与大多数新一代单晶镍基高温合金相比，添加过量的难熔元素，并保持低含量的形成 σ 相的元素（如钼、铬），且完全不含铁，可抑制时效过程中 TCP 相的形成 。Nazmy 等人声称通过在 160MPa 下对 CMSX - 4 合金进行热等静压（HIP），并进行固溶退火处理，制备出了一种单晶合金。据报道，HIP 工艺可以避免化学不均匀性和内部应力。在快速冷却（>50°C/min）时，会均匀分布细小的 γ' 析出相，避免了在缓慢冷却速率下出现的共晶相形成现象 。

Hu 等人声称铂改性镍基高温合金适用于燃气轮机叶片的修复应用。此外，硅夹杂物与其他参数（如氧化、热疲劳等）一起，提高了材料在高压涡轮应用中的抗侵蚀性 。Segletes 等人报道，对于燃气轮机盘，若要使用焊接堆焊技术更换损坏的部分，需使用适用于高性能高温合金的焊接技术，在损坏区域沉积成分合适的填充丝。该技术涉及预热至接近时效温度但不达到固溶温度，此温度称为直接时效温度。在单晶或定向凝固结构中进行此类修复时，基体和填充材料之间的形态差异是主要关注点 。

2.3 航空航天用镍基高温合金近期的成分特点

变形合金主要是低熵或中熵合金，最初研究的是热处理工艺的影响；近期，为了先进工程应用，在高温合金中添加了难熔元素和稀土元素。表 1 展示了近期含有稀土元素的高温合金的相关情况。现代材料开发工具催生了高熵高温合金的新概念，与传统高温合金不同，这种合金由多种主要元素组成 。

表 1：近期不同应用的成分声明中构型熵的趋势

<3. 难熔元素在航空航天级高温合金发展中的作用>

难熔元素显著提高了微观结构稳定性和机械强度，然而，新一代高温合金的物理密度相较于传统合金相对较高。添加铼提高了固溶温度，并减少了新一代高温合金中析出相的粗化。在所有难熔元素中，铼对变形合金的功能特性有着引人注目的影响。通过选择性激光烧结添加铼改性的用于圆盘应用的 IN 718 合金，据报道其耐腐蚀性得到了增强。第四代单晶高温合金如 CMS - 4X/6X 和第六代高温合金如 TMS - 238 提供了增强的机械强度，但抗氧化性有所降低。从这些合金体系的主要行为可以推断，观察到的材料行为变化或改善并非由于添加了某一特定元素，而是合金体系中元素的累积行为所致。需要注意的是，尽管铼的作用在所有高温合金中都很显著，但添加钌可防止不希望出现的不连续析出（DP）菌落相的形成。晶界特征是另一个影响材料强度的关键因素，无论多晶基体中其他各种参数辅助的强化因素如何。在铁基和镍基合金中添加铼、钌和钕等难熔元素，预计会使高温合金的晶界变脆。然而，实验证据表明，在稀薄惰性气氛中加工多晶镍基高温合金时，添加难熔元素和镧系元素进行微合金化，可提高晶界强度。

<4. 均匀化和时效处理对形态的影响>

从广义上讲，热处理可分为沉淀强化和固溶强化。对镍基高温合金进行热处理的主要目的是形成均匀分布的 γ' 析出相。在热处理过程中，还需要解决一些复杂问题，如析出相的粒度分布、晶格失配、磁性转变等。镍基高温合金的均匀化在消除凝固过程中形成的共晶相和元素的微观偏析方面起着重要作用。镍基高温合金的均匀化处理通常在熔点的 90 - 95% 左右的温度下进行，即 1260 - 1340°C，处理 2 - 4 小时。均匀化处理高温合金的趋势逐渐发生变化，涉及多个步骤且持续时间很长，超过了完全时效所需的时间。多步骤处理是考虑到材料的两个重要方面。第一个任务是消除非等温凝固形成的相，第二个是消除化学微观偏析。非等温凝固会导致 β 相、共晶相和 TCP 相的形成 。Seo 等人报道了冷却速率对 CMSX - 4 和 CMSX - 10 合金中共晶形成动力学的影响 。在沉淀强化高温合金（如单晶合金）和铁基高温合金（如 Inconel 系列）中，固溶处理后会进行时效处理。

了解 γ' 的沉淀动力学有助于掌握设计镍基高温合金的核心要点。He 等人详细研究了热处理对 γ' 析出相晶格失配的影响，发现失配值在析出相的角部和边缘之间变化，从而影响其形态 。Masoumi 等人报道，一次和二次析出相的形核、溶解和生长主要受处理温度（无论是过固溶还是亚固溶）以及加热和冷却速率的控制 。处理温度的保温时间有多重要呢？这个问题可以从力学角度而非材料角度来回答。大多数高温合金研究是在涡轮叶片的缩比模型或原型上进行的。必须确保整个部件均匀达到目标温度。为了获得定向生长的枝晶，必须保持最佳的凝固参数，即有效的热梯度和拉拔速率。在最佳凝固条件下，元素向枝晶间空间的偏析可能不会出现。然而，在增材制造中，这仍然是一个普遍存在的问题，即使进行高温固溶处理，实际上也很难消除 。

<5. 高温合金的力学行为>

对镍基高温合金的力学性能进行分析，主要关注其高温行为，如断裂强度、蠕变变形，以及微观结构退化对合金整体性能的影响。

5.1 高温合金在不同温度区间的拉伸行为

镍基高温合金以机械强度异常增加的现象而闻名。这种异常表现为屈服强度或极限强度随温度升高而突然增加 。镍基合金的拉伸性能列于表 2。

屈服强度通常在 650°C 之前下降，在 900 - 1000°C 之间上升，形成了三个温度区间：低温区间（室温至 760°C）、中温区间（760 - 850°C）和高温区间（高于 850°C） 。

拉伸变形行为与工作温度相关，其原因将在 5.3.4 节中解释。

表 2：镍基高温合金高温力学行为汇总

5.2 蠕变载荷影响下的微观结构变化

如 2.1 节所述，镍基合金在高温下长时间运行，这会导致蠕变现象，涉及位错和合金元素的迁移。在燃气轮机热端工作的多晶微观结构的高温合金，通常在 Coble 区域发生变形 。有趣的是，单晶没有晶界，这避免了 Coble 蠕变区域，可能导致单晶合金比通常情况下有更大的伸长率 。

常用镍基高温合金的蠕变性能列于表 3。单晶和多晶体系断裂强度的差异主要是由于合金成分和晶界脆化。

表 3 高温合金的断裂特性

二次相的形成是由热力学和动力学因素驱动的，这有效地改变了合金在微观层面的力学行为 。长时间暴露在这样的温度下，会对微观结构产生显著影响，在宏观尺度上，会导致机械完整性的恶化，例如在高温拉伸条件下形成晶界空洞，以及在特定成分中形成拓扑密堆相（TCP） 。第六代高温合金的成分设计旨在避免 TCP 结构的形成。TCP 相不形成可提高高温合金的蠕变性能。镍基高温合金的拉森 - 米勒（Larson - Miller）图表明，在相同载荷下，第六代高温合金比 CMSX - 4 合金能在更高的温度下工作。

合金中的铬含量在 650°C 以上会形成亚微米厚的氧化层。随着温度从室温升高，铬还会增加基体的晶格参数，从而导致 “筏化” 现象，这是赋予材料抗氧化性所需要的一种权衡 。铬对晶格失配的影响较大，倾向于使其向负值变化，抑制了如 CMSX - 4 和 Al7 合金体系中的铼效应 。

5.3 镍基高温合金的微观力学行为

材料在宏观和微观层面的塑性起始载荷是相同的。但由于应力重新分布效应，在晶格层面的弹性和塑性区域，不同晶体学方向上的应变值会有所不同 。

通常通过蠕变延展性和断裂失效时的强度来评估高温合金在高温下的性能。根据 ASTM - 2760 - 17 金属蠕变疲劳测试标准试验程序，10% 的伸长率被视为衡量材料是蠕变延性还是蠕变脆性的标准。断裂延展性大于 10% 的合金通常被称为蠕变延性材料。大多数变形合金具有蠕变延性，并且因其在高温下的可加工性而闻名。蠕变延展性取决于材料成分、载荷、时间和温度，因此可以根据给定运行持续时间内的伸长率，来确定在已知载荷和温度下运行的合金。

表4：镍基高温合金中沉淀物的一般特征

有必要在微观层面了解这些析出相与基体之间的晶格取向关系，以及它对晶格参数的影响 。通常在宏观尺度上研究 δ 相。元素方面，它对合金中的单个元素具有特异性。然而，对于不同的析出相，其稳定性温度、位错解离情况、在不同平面的滑移性以及影响晶格应变场的组成元素等因素各不相同 。合金元素对力学行为的影响主要是由于形成了 Ll₂和其他 TCP 类型的析出相，这些析出相根据其体积分数、与基体的取向关系以及与界面位错网络的相互作用，对力学性能产生影响 。根据维加德定律（Vegard’s law），析出相的最终晶格参数与成分的摩尔分数成比例变化（表 4）。无论有益还是有害，析出相的作用取决于许多因素，如析出位置、惯习面、稳定性温度、位错解离性质、在这些析出相不同平面的滑移性以及影响晶格应变场的组成元素 。在镍基高温合金中，DOa（正交）结构通常在疲劳条件下具有一定的抗失效能力。不过，δ 相在单晶合金中不太受欢迎，主要被认为是有害的。δ 相以晶界钉扎效应而闻名 。晶界对力学行为的影响在多晶合金中很明显，例如 δ 相板的取向与载荷方向会影响疲劳性能，这表明在多晶镍基高温合金中 δ 相的存在是有必要的 。δ 相具有 DOa（正交）结构，通常在 990 - 1020°C 的固溶温度范围内，优先在晶界、孪晶界以针状（细长）形态析出，在晶内以球状形态析出，以 γ 基体的 {111} 面为惯习面 。Yun 等人报道，δ 相板的整体取向会影响疲劳性能，这表明在多晶镍基高温合金中需要考虑 δ 相的影响 。虽然 δ 相在单晶合金中不太受欢迎，主要被认为是有害的，但它具有晶界钉扎效应 。

5.3.1 总屈服强度

微米 / 亚微米尺度下的力学行为，需要了解材料在给定运行 / 测试条件下晶体学层面的物理变化，以及这种变化对材料整体性能的影响。镍基高温合金的微观力学行为可以说取决于以下几个方面：

• 成分
• 位错滑移系的特征
• 位错与析出相的相互作用
• 温度等其他因素

因此，任何材料的总强度，都是所有强化材料属性的函数。这意味着高温合金的总强度，与普通合金的区别在于，高温合金有更多的微观结构特征，这些特征要么具有强化作用，要么具有弱化作用。

不过，经过固溶处理和时效处理后，晶界出现的锯齿状形态，有助于改善蠕变性能，它通过减少空化现象，并将碳化物形态从球状转变为扁平状，降低了裂纹扩展速率。有研究提到，锯齿状晶界处的一个晶粒终止于 {111} 界面，这表明形成了 BLIP（某种界面结构，文中未详细解释其全称）。据报道，这使得蠕变抗性提高了 40%，主要是因为增强了对晶界空洞形成的抵抗力。值得注意的是，具有锯齿状晶粒的 nimonic - 263 合金在蠕变测试条件（760°C 和 295MPa）下达到了蠕变延性，而未出现锯齿状晶粒的合金在相同条件下表现为蠕变脆性而失效。相比之下，在 815°C、180MPa 的运行载荷下，未出现锯齿状晶粒的样品达到蠕变延性（10% 应变）的时间，比有锯齿状晶粒的样品多 100 多个小时。这表明在高温和中等载荷下，锯齿状晶界可防止合金在蠕变条件下发生脆性失效。

在 Ni - Cr - Co 三元中熵合金中，存在由亚微米尺寸的 Ll₂析出相和粗晶粒组成的双相异质结构。纳米尺寸、低失配（0.011%）的 γ' 粒子会导致晶格中的局部应力松弛。该材料在环境条件下，伸长率为 13% 时，强度可达 2.2GPa。Du 等人将这种现象称为异质变形诱导（HDI）强化，这种强化还会导致在软晶粒中积累几何必要位错，形成间距为 74nm 的堆垛层错 。

5.3.2 二次相和拓扑密堆结构

研究析出相在力学行为中的作用，是为了了解位错与析出相的相互作用，以及确定析出相的临界尺寸，以优化其力学性能。一般来说，变形合金的成分更容易形成 TCP 相，并且大多数 TCP 相在 γ 基体和 η（eta）相界面处形核，如 Krakow 等人所报道 。尽管上述 TCP 相在凝固过程中形成，但也有报道称，在 IN 718 合金的热处理过程中，由于温度 - 时间转变反应，也会形成 TCP 相 。

5.3.3 应力辅助微观结构转变

单晶合金在承受蠕变载荷时，主要评估其蠕变应变和断裂强度。试样的性能退化通常表现为 γ 相样品的筏化，即在温度和应力的影响下，析出相伸长或定向粗化（图 2）。γ/γ' 界面处的拉伸和压缩应力场分布，被认为是筏化的主要原因；此外，还观察到无应力筏化现象，也称为自发筏化。当单晶合金进行低应力退火处理时，由于枝晶尺度的局部化学偏析，也会发生自发筏化 。但目前尚未明确每种合金元素对定向粗化的影响机制。根据 Porter D.A. 等人的研究 ：“在非立方晶格中，原子在不同晶体学方向上跳跃的概率并不相等，且随方向而异。例如，六方晶格中的原子，在平行和垂直于基面的方向上扩散速率不同。”

图 2：温度和压力对单晶合金机械性能的影响

Vorontsov 等人报道了在钴基高温合金中添加钽的影响。虽然没有直接说明，但从报道的微观结构图像可以推断，钽含量的增加诱导了析出相的定向粗化 。大多数难熔元素是非立方的，会偏析到界面处，并可能在不同方向产生局部应变。难熔元素诱导的应力具有非各向同性，这可能是在高温无应力条件下自发筏化开始的原因之一。

Serin 等人报道了在 927°C、50 - 100MPa 载荷范围内，γ 通道加宽与应力水平的关系 。施加的应力对形态变化的影响比应变场更大 。Xu 等人报道了一种通过简单的圆柱形压头压痕，来研究镍基单晶高温合金晶体学蠕变参数的模拟模型 。Leidermark 等人报道了不同取向的热处理样品在室温下的拉伸和压缩屈服强度，并展示了该单晶合金在不同取向的微观结构细节 。屈服强度的下降主要是由于析出相的粗化，而拉伸和压缩的不对称性则保持不变 。（图 2：温度和压力对单晶合金力学性能的影响）

5.3.4 L1₂有序相中位错的形成

镍基高温合金中的位错沿着 <110> 和 < 112 > 方向滑移，在 γ 基体的 < 111 > 平面上。在热暴露和晶格失配应力的共同影响下，原生位错会滑出 <111> 平面，演变成混合位错。位错网络最初是沿着 < 011 > 方向的混合位错网络，之后演变成沿着 < 100 > 方向的方形边缘位错网络 。在大多数拉伸、蠕变、压缩和波动载荷条件下，活跃的滑移系相似。大多数合金元素会取代铝原子，但这并不会改变最密排面的方向。Raju 等人基于原子半径，研究了各种合金元素在 Ni 和 Al 位点的优先占位情况 。

图 3：L1₂有序析出相中原生滑移系的概念起源

在 γ' 的 L1₂有序相中，位错在 <100> 或 < 111 > 平面上的单位位移，会由于超晶格 L1₂结构中单位滑移的非平移性质，导致反相畴界的形成（图 3） 。Lu 等人报道了非平移位错分解为肖克利不全位错，中间由堆垛层错隔开，以及克服 kear - wilsdorf 锁的交滑移机制，这是 L1₂有序相异常强化的原因 。

5.3.4.1 不同运行模式下的位错解离

镍基高温合金通常在高温环境下运行，通常会激活 <110>{111} 滑移系，如前所述 。尽管在与 γ 相相互作用时，位错解离伴随的平面缺陷，会随载荷类型和其他影响相互作用的参数而变化。运行环境温度的轻微变化会导致热疲劳，随后是应力反向循环。

一般情况下，位错与析出相的相互作用会导致堆垛层错或反相畴界的形成，但在疲劳循环的部分阶段，也会出现微孪晶形成的情况，这会导致超晶格本征堆垛层错（SISF）反向运动，在 <112> 平面产生滑移 。Lv 等人也报道了 TMS - 82 单晶合金在反向载荷下形成微孪晶的现象 。在特定的载荷和温度范围内，纯拉伸模式下也会出现微孪晶，如 5.3.2 节所述。

5.4 动态再结晶（DRX）

动态再结晶与热变形过程中的回复过程相关，在绝热加热、位错积累和变形应变速率的驱动下，会形成亚晶粒。Srivastava 等人报道，在没有塑性应变且处于 γ' 相亚固溶温度的情况下，动态再结晶主要是由于氧化诱导的析出相贫化，导致亚晶粒形成和再结晶孪晶界 。这可能会导致基体中形成蠕变空洞和空洞增加，这可能是由于氧化物偏析到新形成的晶界，这也表明动态再结晶形成的晶界可能是多孔且脆性的 。燃气轮机热端部件通过热锻工艺制造，在该工艺中，部件表面到内部的晶粒尺寸分布，会根据工艺参数而变化。虽然在受控条件下保持的晶粒尺寸分布梯度，可能会产生理想的力学性能，但动态再结晶可能会破坏晶粒尺寸分布的对称性。考虑到动态再结晶、亚动态再结晶、铸锭尺寸、工艺温度、变形速度等因素，对通过热机械工艺加工部件进行了优化研究。这种分析被称为动态材料建模，是一种用于优化合金可加工性的有限元方法 。

<6. 环境对高温合金性能的影响>

6.1 应力腐蚀开裂（SCC）

航空发动机热端的发动机部件，在高温和高负荷下，于侵蚀性环境中运行，该环境通常包含激进的燃烧产物。这些燃烧产物是部分氧化的腐蚀性气体，以及燃料中作为微量杂质的碱性氧化物的混合物。当这些污染物沉积在燃气轮机开式循环下游的部件表面时，会引发有害的化学变化，降低表面和亚表面的机械性能，尤其是断裂韧性 。

Yoo 等人讨论了由于短程有序的形成，以及铬等钝化元素的耗尽，而引发应力腐蚀开裂的可能性 。像 Alloy 600 这样的三元成分高温合金体系，会受到腐蚀性环境、长期热老化的影响，并且由于焊接，通常还存在残余应力 。从熔合区到热影响区（HAZ），晶粒形态变化很大，Σ3 边界密度增加、取向差减小，并且在大角度晶界处形成碳化铬，这使得热影响区对应力腐蚀开裂的敏感性很高，不过其腐蚀性能仍优于 316L 钢 。除了腐蚀性介质中的自由基会影响应力腐蚀开裂外，一种不寻常的钨偏析到 γ - γ' 界面，预计会在腐蚀性环境下因应变局部化而导致应力腐蚀开裂 。

6.2 氧分压对高温合金氧化的影响

涡轮燃烧室排出的烟气，对于体积含氧量为 8.54% 的工作流体，绝热温度可达 927°C；当氧含量为 15 vol% 时，若后续配备合适的冷却系统，绝热温度可达 1427°C 。氧含量的增加，可能会导致工作流体的绝热温度升高，或者使烟气中的残余氧含量增加。涡轮进口温度的升高，需要材料具有更高的冶金极限；而氧含量的增加，也需要材料具备更好的抗氧化性能。

Li 等人报道，在 1100°C（燃气轮机的工作温度范围），对于 [001] 取向、枝晶取向偏差 15 度的单晶，测试环境中氧浓度的增加，倾向于形成过渡金属氧化物和尖晶石，并降低氧化铝层的机械稳定性 。Huczkowski 等人报道，合金 625 的氧化与工作流体的流动特性有关，并强调了沿空气动力学轮廓不同位置，由于氧化导致的铬损失与边界层厚度的关系（图4）。

图 4：燃气轮机叶片在工作环境中氧化热点

氧分压是影响氧化优先顺序的关键参数，它可以通过改变工作流体的流速，或增加测试环境中的氧含量来改变。从埃林汉姆（Ellingham）图可以看出，在低氧分压下，铝更容易被氧化 。根据道尔顿分压定律，环境条件下的氧分压约为 0.2 atm。在这些氧分压值和 800°C 至 1000°C 的温度范围内，氧化优先顺序为 Fe、Cu、氧分压是影响氧化优先顺序的关键参数，它可以通过改变工作流体的流速，或增加测试环境中的氧含量来改变。从埃林汉姆（Ellingham）图可以看出，在低氧分压下，铝更容易被氧化 。根据道尔顿分压定律，环境条件下的氧分压约为 0.2atm。在这些氧分压值和 800°C 至 1000°C 的温度范围内，氧化优先顺序为 Fe、Cu、Ni。由于镍基高温合金含有 Ni，大多数氧会与 Ni 反应，在表面形成 NiO。Ishizaki 等人报道了埃林汉姆相图在更高压力下对硅和氮化铝的扩展效应 。由于涡轮入口的工作压力明显高于环境条件，因此需要了解镍基高温合金在更高压力下的氧化动力学。

高温合金在三种主要条件下会发生氧化。第一种情况是发动机启动时的调试过程；第二种情况是发动机停机时，运行压力从 20 - 40 bar 降至环境压力；第三种情况是当烟气中的氧含量超过最佳含量时 。

<7. 镍基高温合金的结晶度>

最近，对镍基高温合金的研究主要集中在理解热力学计算上。对镍基高温合金的晶体结构以及各种微观和纳米级特征的影响的详细研究，并不是被广泛讨论的方面。镍基高温合金晶体特征的主要因素是择优取向，其次是由于大量合金化元素导致的散射因子，这使得峰缺失几乎成为镍基高温合金的一个特征。Yeh 等人报道了高熵合金中 X 射线衍射（XRD）强度的异常降低 。这解释了理解任意多组分体系结晶度的实际复杂性。单晶高温合金的结晶度通常借助同步辐射等高能源 和中子衍射等高分辨率技术进行研究 。同步辐射 XRD 源用于研究承受蠕变载荷的样品 。同步辐射源适合观察 Ll₂结构中奇数和偶数平面的弱超晶格峰。传统的 X 射线发生器可用于分析峰位置和测量晶格参数，但由于峰的仪器展宽，在分析峰对称性和测量 γ' 相体积分数方面效率较低 。旋转晶体 XRD 技术通过高分辨率 XRD（HRXRD）方法，用于分析单晶材料的晶体质量、取向和失配 。XRD 技术也用于测量 Ni₃Al 的晶格参数，但这需要详细了解和监测材料的历史。例如，Mauer 等人报道，在几乎无压力条件下，晶格参数的最小值为 3.57Å，在施加 10GPa 压力时变为 3.5Å 。

<8. 航空燃料系统>

用于民航的航空燃料 Jet A 和 Jet A - 1 在凝固点上有细微差异，A - 1 的凝固点在摄氏温标上低几度 。这两种燃料的能量密度约为 40MJ/kg 。根据 ASTM D1566 标准，军事或商用飞机使用的高芳烃燃料，其芳烃含量比 Jet A 和 A - 1 高约 40vol%，这样做不是为了提高燃料的比能，而是为了降低凝固点。40MJ/kg 的比能对于起飞重量约 100 吨的民用飞机来说，其物理意义在于，一千克燃料产生的功相当于将 4000 吨物体移动一米。大多数发动机的推重比在 3 - 8 的范围内，与飞机的大小无关。复合材料的发展引起了科学界对高比强度材料的关注，相比于更高能量密度的航空燃料，高比强度材料有助于实现更高的推重比 。最近对先进镍基高温合金的研究表明，与钛基合金不同，镍基高温合金能够承受高温氧化和保持机械稳定性，这可能使钛合金在高温航空航天应用中实际上变得多余 。更有效的未来设计可能会解决燃料的环境因素问题，因为航空业可能会寻找替代能源，以实现全球环境目标 。对开发高能材料作为航空燃料的研究，可能是一种可行的解决方案 。具有高能量密度的燃料系统可以提高推重比，并允许应用高密度结构材料，以开发更稳定的航空结构，用于更长时间的超音速飞行。由于低密度材料制成的设计可能足以满足亚音速和短时间的航空需求，但在超音速飞行中，为了延长飞行时间，结构稳定性可能会作为权衡而受到影响 。

<9. 结论与展望>

镍基高温合金的力学性能由于单晶结构得到了显著改善。稀土元素的添加提高了 γ' 析出相的固溶温度。然而，几乎所有镍基高温合金的滑移系都相似，这是因为大多数元素在 Ni₃Al 晶格中替代了铝。探索在镍基高温合金中激活新滑移系的新方法，可能会揭示新的强化机制。尽管文献中利用前沿表征技术分析位错运动学的大量数据，但本文作者尚未发现有综合研究将位错行为的所有参数（解析载荷、原子传输、激活能、电子结构）联系起来。航空业的未来发展方向是长时间的高速运输，这对在更高工作温度下各尺度的稳定材料提出了更高的效率要求。最后，必须探索具有更高能量密度和经过设计以克服环境障碍的航空燃料，以弥补航空合金密度增加带来的问题。

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171128

微信：SciGas

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日