镍基单晶高温合金再结晶抑制的新型渐进复位退火方法研究

为解决镍基单晶(SX)涡轮叶片在铸造过程中产生局部应力集中及在固溶热处理(SHT)过程中诱发再结晶(RX)缺陷的问题，研究人员开展了渐进复位退火(PRA)新方法研究。结果表明，PRA预处理使变形区位错密度从2.62×1014 m?2降至1.45×1014 m?2，有效抑制了RX缺陷形成。该研究为SX叶片加工提供了创新性方法及理论指导。

　　

在航空发动机和燃气轮机的核心热端部件制造中，镍基单晶高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变和抗疲劳性能而占据不可替代的地位。然而，这类部件（如涡轮叶片）在复杂的定向凝固铸造过程中，不可避免地会引入局部应力集中和较高的位错密度。更棘手的是，在后续必不可少的固溶热处理(Solution Heat Treatment, SHT)环节，这些预先存在的晶体缺陷往往会成为再结晶(Recrystallization, RX)的形核点，导致在单晶基体上形成具有随机取向的晶粒。这些RX缺陷会严重破坏单晶结构的完整性，显著降低材料的高温力学性能，直接威胁发动机的运行安全与寿命。因此，如何有效抑制SX涡轮叶片中的RX缺陷，是高性能航空发动机研制领域一项长期存在且极具挑战性的关键技术难题。

为了攻克这一难题，来自中南大学机电工程学院的研究团队在《Materials》上发表论文，提出了一种名为“渐进复位退火”(Progressive Reset Annealing, PRA)的创新性工艺方法。该研究旨在系统探究PRA方法在消除铸造应力、抑制RX缺陷方面的有效性及其背后的微观机理。

研究者们为了验证PRA方法的有效性，设计并实施了一系列关键实验。主要技术方法包括：首先，通过定向凝固技术制备出镍基单晶高温合金试样，模拟实际叶片的铸造过程。其次，对试样进行专门设计的PRA预处理，该过程的核心是逐步、可控地消除内应力。最后，进行标准的固溶热处理(SHT)，并设置未经PRA处理的对照组进行对比。通过对处理前后试样的微观结构进行精细表征，重点分析了位错密度的变化和RX缺陷的形成情况。

研究结果

位错密度降低与RX抑制效果

通过对比PRA处理前后试样的微观结构，研究取得了明确且积极的成果。定量分析表明，经过PRA预处理后，试样变形区域的位错密度显著下降，从初始的2.62 × 10¹⁴ m^?2 降低至1.45 × 10¹⁴ m^?2。这一数据直接证明了PRA工艺在促进位错湮灭、松弛内应力方面的卓越能力。更为重要的是，在后续的SHT过程中，经过PRA预处理的试样有效地抑制了RX晶粒的形成，而未经处理的对照组则出现了明显的RX缺陷。这清晰地表明，通过降低初始位错密度，PRA方法从源头上消除了RX形核的驱动力。

γ基体通道中的位错行为与γ'相的协同作用

微观结构分析进一步揭示了PRA方法的深层作用机制。研究发现，在铸态试样的应力集中区域，位错并非均匀分布，而是优先聚集在γ基体通道内以及γ/γ'相界面处，并形成了高密度的位错环。在PRA退火过程中，位错的湮灭也首先发生在阻力相对较小的γ基体通道内。研究中的一个突出发现是γ'相（即强化相）的溶解与再沉淀过程表现出关键的协同效应：一方面，γ'相的部分溶解拓宽了γ基体通道，为位错的运动和反应（如湮灭、重组）提供了更广阔的空间，促进了应力的释放；另一方面，重新析出的细小γ'相颗粒又能有效地钉扎住位错，防止其在局部区域过度聚集而形成新的RX形核核心。这种“疏堵结合”的机制，使得PRA能够实现对位错动态的精确调控。

研究结论与意义

本研究表明，所提出的渐进复位退火(PRA)方法是一种高效且可控的工艺策略。它通过分步、渐进的方式，成功消除了镍基单晶高温合金因铸造而产生的局部应力集中，显著降低了有害的位错密度，从而在后续固溶热处理中有效抑制了再结晶(RX)缺陷的形成。其核心机制在于利用了γ'相溶解与析出过程的协同作用，既为位错湮灭创造了条件，又避免了位错的失控聚集。

这项研究的成功，为高性能镍基单晶涡轮叶片的制造提供了一种创新的再结晶控制思路。它不仅提供了一种具体的、可应用于实际生产的热处理工艺方案，更重要的是深化了对单晶高温合金在热处理过程中微观结构演化，特别是位错与第二相粒子交互作用规律的理解，为未来进一步优化SX部件的加工工艺、提升其服役可靠性提供了坚实的理论依据和实践指导。