铁含量调控对Ni-Cr-Fe基高温合金GH4070T在750℃下拉伸变形模式的影响机制研究

为解决700℃级先进超超临界（A-USC）电站锅炉过热器/再热器管材的高温强度与成本平衡问题，研究人员通过调控GH4070T合金中铁含量（15-35 wt.%），系统研究了Fe对750℃下γ′相体积分数、位错运动模式及拉伸性能的影响。发现25 wt.% Fe时塑性最优，揭示了Fe通过改变堆垛层错能（SFE）和反相畴界能（APB）调控变形机制的规律，为低成本高性能合金设计提供理论支撑。

　　

在全球能源结构转型背景下，化石燃料发电仍占据主导地位，但碳排放问题日益严峻。先进超超临界（A-USC）技术通过提升蒸汽参数（>700℃/35 MPa）实现高效清洁发电，其中锅炉末级过热器/再热器管材需兼具高温强度、抗氧化腐蚀性和经济性。传统奥氏体钢（如Sanicro 25）和镍基合金（如Inconel 740H）因成本高或耐温不足难以满足需求。西安热工研究院开发的低成本Ni-Cr-Fe基合金GH4070T（含25 wt.% Fe）展现出优异综合性能，但Fe含量的优化机制尚不明确。

为揭示Fe对GH4070T高温性能的影响规律，研究人员制备了Fe含量梯度（15.3-35.6 wt.%）的合金系列，采用真空电弧熔炼、均匀化热处理和标准时效工艺制备试样。通过750℃拉伸测试结合SEM、TEM等表征手段，系统分析了显微组织演变与变形机制。计算模拟了Fe对γ基体堆垛层错能（SFE）和γ′相反相畴界能（APB）的影响。

显微组织特征
Fe含量增加未显著改变晶粒尺寸和γ′颗粒尺寸（约50 nm），但γ′体积分数从15Fe合金的18.7%降至35Fe合金的9.3%。能谱分析表明Fe在γ基体中富集，导致γ/γ′相间元素浓度梯度增大。

拉伸性能变化
屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）随Fe增加单调下降（15Fe合金YS为495 MPa，35Fe合金降至362 MPa），但25Fe合金展现最佳塑性（延伸率28.5%）。强度降低主要源于γ′体积分数减少，而塑性峰值与变形模式转变相关。

变形机制转变
15Fe合金以位错切割γ′相为主，伴随超点阵位错对形成；25Fe合金出现混合模式（切割+奥罗万环）；30-35Fe合金则以奥罗万机制和位错攀移/交滑移为主导。这种转变源于Fe增加导致基体SFE升高（计算值从72 mJ/m²增至89 mJ/m²），而γ′相APB能从145 mJ/m²降至118 mJ/m²，降低了位错切割驱动力。

断裂行为
所有合金均呈现韧窝-沿晶混合断裂，但25Fe合金韧窝更深且分布均匀，对应其最优塑性。位错组态分析表明，适量Fe（25 wt.%）通过促进位错多滑移延缓裂纹萌生。

该研究阐明了Fe含量通过调控γ′相分数和缺陷能量，进而改变GH4070T合金高温变形机制的物理本质。25 wt.% Fe的优化设计在保证成本优势的同时，实现了强度-塑性的最佳平衡。研究结果为A-USC电站关键部件材料选型提供了重要理论依据，发表于《Journal of Alloys and Compounds》。计算模拟与实验结果的相互验证方法，也为其他沉淀强化型合金的成分设计提供了新思路。