第二代单晶镍基超合金ERBO/1的超固溶热处理技术研究：实验与一维动力学模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Development of Super-Solidus Heat Treatments for the Second-Generation Single-Crystal Ni-based Superalloy ERBO/1: Experiments and 1D Kinetic Simulations

超固态热等静压处理优化及DICTRA模拟研究，以ERBO/1超合金为例，分析温度、压力及加热速率对微观结构及化学均匀化的影响。通过Scheil-Gulliver方法建立初始偏析模型，利用DICTRA进行1D扩散模拟，比较实验与模拟结果，验证不同参数下γ'相溶解、液相生成及孔隙消除规律。研究表明，SSHIP可显著缩短传统固相热处理时间，压力提升至200MPa时液相体积减少17.8%，处理时间缩短至2.29小时，但需更高温度（1330℃）实现完全γ'相溶解。实验证实4小时1320℃热处理消除全部孔隙和初生γ'相，技术均匀化效率提升5倍以上。

　　单晶超合金因其在高温下的卓越性能和抗降解能力，在航空航天领域，特别是喷气发动机的涡轮叶片制造中得到了广泛应用。这类材料在铸造过程中由于其复杂的化学组成，常常形成高度分离的微观结构，这给后续的热处理带来了挑战。传统热处理方法通常需要长时间的固态保温，温度往往在1300°C以上，对于第二代单晶超合金如CMSX-4，保温时间可以达到12小时，而第三代单晶超合金如CMSX-10K则需要长达45小时。这种漫长的热处理过程不仅耗费大量能源，还增加了成本，限制了生产效率。因此，寻找更高效、更经济的热处理方法成为研究的重点。

超级固相等温压（SSHIP）热处理是一种新兴的工艺，它通过将材料加热至略高于其局部固相线温度并保持一定时间，从而实现材料的快速均匀化和缺陷去除。与传统的分步固溶处理相比，SSHIP能够在更短的时间内完成，这使其在可持续制造和成本控制方面具有显著优势。这种方法不仅加速了化学成分的均匀化，还能够消除各种类型的孔洞，无论是铸造产生的还是热处理过程中形成的，从而显著提升材料的力学性能，如蠕变抗性。

然而，传统热处理参数的优化通常依赖于耗时且昂贵的试验方法，这种方法在开发新合金或改进现有工艺时并不高效。为了克服这一限制，研究人员引入了一种基于扩散控制的转变（DICTRA）软件，该软件能够通过模拟多组分扩散和热力学数据来优化热处理参数。DICTRA模拟基于非平衡凝固计算，这为后续的热处理设计提供了精确的初始微观结构数据，使得参数调整更加科学和系统化。

在本研究中，ERBO/1合金（一种第二代单晶超合金）被用作研究对象。通过Scheil-Gulliver方法计算其铸造后的化学分离情况，研究人员发现，该合金在铸造过程中形成了显著的元素分布差异。例如，Al、Ta、Ti和Hf等元素在枝晶间（ID）区域富集，而Co、W和Re则在枝晶核心（DC）区域富集。这些分离情况为后续的热处理模拟提供了关键的初始条件。通过DICTRA软件，研究人员评估了不同热处理参数（温度、保温时间、压力和加热速率）对化学均匀化的影响，从而确定了最佳的热处理条件。

研究表明，随着温度的升高，液相的生成量增加，这有助于快速均匀化枝晶间区域的化学成分。然而，温度过高会导致液相无法在设定的保温时间内完全凝固，从而影响最终的均匀化效果。例如，在1330°C的条件下，尽管液相生成量较高，但由于保温时间较短，仍有约2.85%的液相残留在材料中，这可能增加产生有害相的风险。因此，选择合适的温度至关重要，既要确保足够的液相生成以促进均匀化，又不能让液相残留过长的时间。

压力的应用对热处理过程同样具有重要影响。在SSHIP热处理中，较高的等压（isostatic pressure）可以减少液相的生成量，同时增加γ′相的稳定性。这一现象可能与压力对扩散过程的促进作用有关，因为液相中的扩散系数通常比固相高三个数量级。因此，在较高压力下，材料的均匀化过程更为迅速，而液相的残留量减少，这有助于减少孔洞的形成。然而，压力的增加也会影响γ′相的溶解速度，使其更难完全消失，从而可能影响最终的微观结构均匀性。

加热速率的选择也对热处理效果产生影响。较慢的加热速率会导致液相生成量减少，从而降低均匀化效率。相反，较快的加热速率虽然能增加液相生成量，但可能会导致材料在升温过程中产生应力，增加裂纹风险。因此，加热速率需要在均匀化效率和材料稳定性之间取得平衡。研究还发现，在升温过程中，尽管有部分均匀化发生，但整体均匀化效果有限，因此加热阶段的主要作用是为后续的等温处理提供适宜的温度条件，而不是直接导致化学成分的均匀化。

实验结果进一步验证了DICTRA模拟的准确性。在1320°C的条件下，4小时的等温处理能够有效消除枝晶间区域的液相和初生γ′相，从而达到技术均匀化的目标。然而，即使在这样的条件下，材料在枝晶核心和枝晶间区域之间的化学分离仍然存在，这表明，仅靠技术均匀化并不能完全消除所有化学异质性，特别是对于扩散速率较慢的元素如Re。因此，为了实现更彻底的均匀化，可能需要更长的保温时间，但这在工业生产中往往不现实。

综上所述，DICTRA模拟为优化SSHIP热处理参数提供了一种高效且经济的方法。通过模拟不同参数对材料均匀化和相稳定性的影响，研究人员能够快速确定最佳的热处理方案，从而减少实验成本和时间。同时，该方法也为工业应用提供了理论依据，使得热处理过程更加可控和科学。未来的研究可以进一步探索其他合金体系，以及不同热处理参数组合对材料性能的影响，以期开发出更加高效的热处理技术。