GH4706高温合金强化相η相与γ′–γ″共析组织的冷却速率调控行为及机理研究

为解决工业燃气轮机(IGT)用GH4706镍铁基变形高温合金大尺寸盘件热处理过程中强化相(η相和γ′–γ″共析组织)难以精确调控的问题，研究人员通过设计分段冷却工艺，系统研究了980-825℃和825-600℃温区冷却速率对相变行为的影响。发现0.5℃/min慢冷促进η相片层化生长形成胞状组织，而1℃/min缓冷使γ′–γ″共析组织立方化，为优化热处理工艺提供了理论依据。

　　

（论文解读）
在能源装备领域，工业燃气轮机(IGT)盘件作为核心承力部件，其性能直接决定设备寿命。GH4706镍铁基变形高温合金因兼具优异高温强度、抗氧化性和加工性能，成为制造Ф1500mm以上大尺寸盘件的首选材料。这种合金的力学性能主要依赖γ′相(L1₂结构，Ni₃(Al,Ti))和γ″相(DO₂₂结构，Ni₃Nb)的强化作用，而高Ti/Al比(达9:1)还会析出η相(DO₂₄结构，Ni₃Ti)提升蠕变性能。然而，大尺寸盘件导热性差导致冷却速率控制困难，传统连续冷却工艺难以协调三种强化相的竞争性析出——快速冷却虽能细化γ′相但会抑制η相形成，慢速冷却又会导致γ′–γ″共析组织粗化。这一矛盾严重制约了盘件性能的精准调控。

中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地采用分段控温策略，结合原子探针断层扫描(APT)、扫描透射电镜(STEM)和透射菊池衍射(TKD)等技术，系统解析了不同温区冷却速率对相变行为的影响机制。研究选用Ф1500mm实际工程盘件为样本，设计了空气冷却(AA)、炉冷分段处理(FSA/FA/FAs)等四种热处理方案，通过精确控制980-825℃和825-600℃两个关键温区的冷却速率，实现了强化相形貌的定向调控。

【Precipitation of the η phase】
电镜分析显示，空气冷却样品中η相呈棒状沿晶界分布，而0.5℃/min慢冷处理的样品则形成片层状η相并诱发晶界迁移，形成独特的胞状组织。这种"析出驱动晶界迁移"现象源于片层η相与基体界面能的降低需求，迁移后的晶界会包裹η相形成蜂窝状结构。

【Precipitation behavior of the lamellar η phase in the cellular microstructure】
深入研究发现，980-825℃区间0.5℃/min慢冷或825℃稳定化处理会显著促进Ni、Ti元素扩散，使η相沿非共格界面方向优先生长。这种生长模式不仅增加界面能，还因Ti元素消耗而抑制γ′–γ″共析组织的发展。相反，825-600℃区间采用1℃/min缓冷时，η相生长速率降低，γ′相有充足时间通过应变能协调机制发育成立方体形貌。

【Conclusions】
该研究首次阐明分段冷却过程中η相与γ′–γ″共析组织的竞争生长机制：980-825℃温区0.5℃/min慢冷促使η相片层化并形成胞状组织，而825-600℃温区1℃/min缓冷则使γ′–γ″共析组织粗化成立方形态。这一发现突破了传统连续冷却工艺的局限，为通过"时间-温度协同调控"策略设计梯度性能盘件提供了新思路。工程应用表明，优化后的分段冷却工艺可在保证η相强化的同时，避免γ′–γ″组织过度粗化，对提升大尺寸高温合金盘件的服役可靠性具有重要指导价值。