热处理调控γ′相分布：新型低成本镍基高温合金的显微组织与力学性能优化研究

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Controlling Inter- and Intra-granular \(\gamma ^{\prime} \) Through Heat Treatment

本刊推荐：为解决传统铸造锻造镍基高温合金使用温度受限、成本高昂的问题，研究人员开展了通过中断炉冷热处理控制γ′相在晶界和晶内分布的研究。结果表明，该热处理在新型低成本合金（Alloy 1）中成功实现了晶界γ′相析出与细小晶内γ′相的独立调控，显著提升了650–700°C下的抗拉强度并接近Alloy 720水平，但高温持久疲劳裂纹扩展速率受晶粒尺寸分布和高Nb含量影响仍具挑战。该研究为开发低成本、高性能涡轮盘材料提供了重要的显微组织设计思路。

　　

随着航空工业对提高涡轮入口温度并降低成本的持续追求，用于燃气轮机涡轮盘的镍基高温合金面临着日益苛刻的服役环境挑战。传统主力合金如Alloy 718因高温下δ相析出而使用温度被限制在650°C以下，而更高性能的合金如Alloy 720Li虽能承受更高温度，但其高γ′相体积分数导致必须采用成本高昂的粉末冶金工艺，限制了其广泛应用。因此，开发一种既能超越Alloy 718的使用温度上限，又可通过低成本铸造锻造工艺生产的新型合金，成为领域内的重要研究方向。在此背景下，一种名为Alloy 1的新型镍基高温合金被设计出来，其关键在于通过精巧的热处理策略实现对强化相γ′在晶界和晶内分布的独立控制，从而平衡合金的强度与抗损伤性能。

本研究采用的热处理核心在于优化热处理工艺。研究人员设计了一种中断炉冷热处理方案：合金经过1010°C固溶处理后，以37.8°C/h的速率缓慢冷却至935°C（介于γ′相固溶线温度之间），保温30分钟后空冷。随后分别进行825°C/4h(HT1)和760°C/4h(HT2)两种时效处理，以实现对晶内γ′相尺寸的独立控制。通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等技术对显微组织进行表征，并系统评估了合金在20-700°C下的拉伸性能和650°C下的疲劳裂纹扩展行为，特别是引入了120秒保载的持久疲劳测试条件。

热处理优化与显微组织表征

研究发现，采用935°C中断温度是关键所在。热力学计算表明，在此温度下均质形核的临界功显著高于更低温度，从而抑制了晶内粗大γ′相的形成，使得析出优先发生在晶界等异质形核位置。

EBSD分析显示合金平均晶粒尺寸为6±2μm，存在较宽的尺寸分布。经过HT1处理后，合金中形成两种γ′相种群：晶界次级γ′相（体积分数4.1±0.7%）和晶内三级γ′相（体积分数30.2±1.5%），总γ′相体积分数达33±3%。晶界γ′相与基体保持共格关系，并诱导了有限的晶界锯齿化，但锯齿化程度因析出相分数较低而不均匀。

值得注意的是，该热处理成功将晶界γ′相周围的无析出带(PFZ)宽度控制在90nm以内，远低于传统连续慢冷工艺，这得益于在较高温度下中断冷却最大化了溶质元素溶解度，减少了后续冷却过程中的元素贫化。

力学性能表现

拉伸测试结果表明，Alloy 1的屈服强度在常温和400°C时低于Alloy 718，但在650°C和700°C时与Alloy 718相当甚至略有超出。而其抗拉强度在所有测试温度下均超过Alloy 718，在高温下接近Alloy 720水平。锻造工艺（超固溶线锻造与亚固溶线锻造）和时效处理(HT1与HT2)对拉伸性能影响不显著。

疲劳性能测试揭示了更复杂的行为：在室温和高频(5Hz)循环加载下，裂纹扩展以穿晶方式进行，性能与商用合金相当。而在650°C连续循环条件下，出现穿晶与沿晶混合断裂模式，裂纹扩展速率略有增加。最具挑战性的是650°C下引入120秒保载的持久疲劳条件，两个测试样本均表现为完全的沿晶断裂，但裂纹扩展速率相差近10倍，较快者与ATI 718Plus合金相当。

研究结论与讨论

本研究成功开发了一种通过中断炉冷控制γ′相分布的热处理工艺，在新型低成本镍基高温合金Alloy 1中实现了晶界γ′相析出与晶内强化相尺寸的独立调控。该工艺的关键在于选择介于γ′相固溶线之间的中断温度(935°C)，利用在此温度下均质形核能垒较高的特点，促使γ′相优先在晶界异质形核，而细小的晶内γ′相则在后续空冷过程中形成。

研究证实，该热处理方案有效减少了传统慢冷工艺中常见的无析出带宽度，并产生了有限的晶界锯齿化。合金在高温下(650-700°C)表现出优异的抗拉强度，接近高成本合金Alloy 720的水平。然而，合金的持久疲劳性能表现出较大分散性，且平均裂纹扩展速率较快，这主要归因于两个因素：一是相对细小的平均晶粒尺寸(6μm)和较宽的晶粒尺寸分布（特别是大量小于5μm的细晶粒），为裂纹提供了快速扩展路径；二是合金中较高的Nb含量(3.55at.%)可能通过促进Nb2O5等脆性氧化物形成或Nb元素在晶界偏聚，加剧了环境辅助开裂效应。

该研究为低成本高性能涡轮盘合金的开发提供了重要的显微组织设计思路和热处理窗口选择依据。研究结果表明，通过精确控制热处理路径，可以在不显著牺牲强度的前提下调控晶界特征。然而，要完全实现合金性能优化，未来可能需要进一步调整合金成分，如适当降低Nb含量以提高抗环境辅助开裂能力，或通过微合金化提高γ′相的反相畴界能(APB)以增强沉淀强化效果。这项研究不仅为Alloy 1合金的进一步优化指明了方向，其揭示的热处理原理也有望应用于其他多晶镍基高温合金的显微组织调控中。