热振荡压制技术对FGH4095镍基高温合金微观结构与力学性能的优化机制研究

为解决镍基粉末冶金高温合金致密化过程中存在的热诱导孔隙(TIP)和原始颗粒边界(PPBs)缺陷问题，中国科学院金属研究所团队创新性采用热振荡压制(HOP)工艺制备FGH4095合金。通过MSC Marc参数优化与ABAQUS仿真，证实振荡压力可促进晶界滑移和塑性变形，使γ′相析出比例提升，TIP和PPBs含量降低，最终获得抗拉强度1433 MPa、延伸率10.46%的优异综合性能，为航空发动机热端部件制造提供新思路。

　　

在航空发动机涡轮盘等关键热端部件的制造领域，FGH4095镍基粉末冶金(PM)高温合金因其出色的高温强度、抗氧化和抗蠕变性能备受青睐。然而传统热等静压(HIP)和热压(HP)工艺存在明显短板：HIP制备的合金需后续处理消除PPBs（原始颗粒边界）和TIP（热诱导孔隙），导致成本攀升；HP则因静态压力难以实现完全致密化，且易引发晶粒异常生长。更棘手的是，这些缺陷会显著降低材料的力学性能——这正是制约航空发动机性能提升的"卡脖子"难题。

针对这一行业痛点，中国科学院金属研究所团队将目光投向了一种创新工艺——热振荡压制(HOP)。该技术此前在陶瓷烧结领域展现出独特优势，其核心在于用动态振荡压力替代传统静态压力，通过周期性应力促进颗粒重排和物质迁移。但合金元素组成的差异使得HOP在FGH4095中的应用效果充满未知，这正是本研究要破解的科学谜题。

研究团队首先借助MSC Marc软件中的Shima-Oyane模型进行参数优化，设定多组温度-压力-时间梯度组合。仿真结果显示，在1160°C、25(±5) MPa振荡压力下保持3小时是最佳工艺窗口。实际制备采用电极感应熔炼气雾化(EIGA)法制备的球形粉末（粒径20-60 μm），通过自主设计的HOP设备实施烧结。与传统HP工艺对比发现，HOP样品相对密度高达99.8%（HP为98.6%），维氏硬度提升至477 HV。

显微结构分析揭示了性能提升的深层机制：在振荡压力产生的周期性应力作用下，材料发生显著晶界滑移和塑性变形。这种动态过程有效抑制了TIP的形成（图3），并使PPBs处析出相减少。更关键的是，二次γ′相（γ′ phase）的析出比例显著增加，该强化相正是镍基合金强度的主要来源。力学测试数据令人振奋——室温屈服强度和抗拉强度分别达到1153 MPa和1433 MPa，延伸率更是突破至10.46%，实现了强度-塑性的协同提升。

为深入理解变形机制，团队建立了韧性损伤模型进行ABAQUS仿真。模拟结果与实验数据高度吻合，证实HOP工艺通过促进位错运动和能量耗散，有效延缓了裂纹萌生。这项发表于《Journal of Materials Science》的研究具有双重突破意义：在理论上，首次阐明了振荡压力对镍基合金γ′相析出行为的调控规律；在应用上，为航空发动机关键部件提供了更优的制备方案，相比传统工艺可缩短流程、降低成本。

该研究由陈靖伟、卢春成等学者共同完成，通讯作者为侯新梅教授和史英男研究员。值得注意的是，团队特别指出HOP的参数优化需"量体裁衣"——不同成分合金需要针对性调整工艺，这为后续研究指明了方向。在国家重点研发计划等项目的支持下，这项技术有望推动我国航空发动机用材走向"更强更韧"的新时代。