定向凝固CM 247 LC镍基高温合金γ′相粗化动力学与循环氧化行为的多尺度研究

本研究针对定向凝固(DS) CM 247 LC镍基高温合金在850℃循环热处理条件下的γ′相粗化动力学与氧化行为展开系统分析，揭示了MLSW模型指导下的γ′相粗化规律（Kr =0.20766×1055 nm3/h），发现三重氧化层(NiO/Cr2 O3 /Al2 O3 )缺陷导致金属阳离子外扩散加速，为涡轮叶片材料退化机制提供重要理论依据。

　　

在航空发动机和燃气轮机领域，定向凝固(DS) CM 247 LC镍基高温合金因其优异的高温强度和相稳定性，成为制造涡轮叶片的关键材料。然而，这些部件在服役过程中面临严峻挑战：周期性启停导致的温度波动会引发γ′强化相（L1₂
有序结构）的粗化，同时高温氧化会形成复杂氧化物层。更棘手的是，现有研究多聚焦于连续老化条件，而实际工况中的热循环效应长期缺乏系统研究。当γ′相尺寸超过临界值时，合金的蠕变抗力、疲劳寿命等关键性能会急剧下降；而氧化层缺陷又会加速金属元素扩散，形成恶性循环。这些问题直接关系到价值数百万美元的涡轮组件能否达到设计寿命，因此亟需建立热循环条件下材料退化机制的精确模型。

来自国内研究团队在《Journal of Alloys and Compounds Communications》发表的研究，创新性地采用循环热处理模拟实际工况，通过SEM、XRD等技术系统分析了850℃条件下γ′相演化规律与氧化行为。研究发现：γ′相粗化遵循修正的Lifshitz-Slyozov-Wagner(MLSW)模型，粗化速率常数K_r
达0.20766×10⁵⁵
nm3/h；氧化层呈现NiO-Cr₂
O₃
-Al₂
O₃
三层结构，其中Al₂
O₃
内层缺陷导致Ni/Cr阳离子外扩散加速。这项研究为预测涡轮叶片寿命提供了关键理论支撑。

关键技术方法包括：对直径15mm的DS CM 247 LC合金棒进行定向切片，采用850℃循环热处理模拟热冲击条件；通过背散射电子显微镜(BSE-SEM)定量分析γ′相尺寸分布；利用X射线衍射(XRD)测定γ/γ′晶格错配度；采用能量色散X射线光谱(EDS)解析氧化层元素分布。

【材料与方法】
研究采用标准热处理后的合金样品，通过精确控制循环温度曲线（850℃保温/冷却交替），模拟涡轮叶片实际热循环工况。

【微观结构】
SEM显示原始合金包含γ基体、立方γ′相、γ/γ′共晶及MC碳化物。热循环后γ′相保持立方形态但尺寸显著增大，未发现新相形成。

【γ′相尺寸演化】
建立能量平衡方程E_t
=E_surface
+E_strain
+E_interaction
，揭示约束错配应变随老化时间增加而升高，弹性应变能积累抑制了γ′相形貌转变。

【结论】

1. 热循环导致γ′相粗化、表面氧化及无沉淀带(PFZ)形成，三者厚度均随老化时间增加；
2. 错配应变增加维持γ′立方形态，合金表现出优异的粗化抗性；
3. 氧化层缺陷加速阳离子扩散，外延生长机制主导外层氧化物持续增厚。

该研究首次建立DS CM 247 LC合金在热循环条件下的γ′相粗化动力学模型，揭示了三重氧化层的协同退化机制。S. Chandra等学者提出的MLSW模型修正参数，为同类合金的寿命预测提供了定量依据。特别是发现Al₂
O₃
内层缺陷的关键作用，为开发新型抗氧化涂层指明了方向。这些发现对延长航空发动机大修周期、降低维护成本具有重要工程价值。