《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and creep behavior of long-term aged polycrystalline nickel-based superalloys
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摘要为了研究在800℃下长期老化3000小时后，不同Ti/Al比例和碳含量的三种多晶镍基超合金在815℃/379 MPa条件下的微观结构演变以及γ′相和η相在蠕变行为中的作用，设计了这三种合金。低Ti/Al比的LTA合金中含有更高比例的γ′相析出物。随着Ti/Al比的增加，γ′相
摘要
为了研究在800℃下长期老化3000小时后，不同Ti/Al比例和碳含量的三种多晶镍基超合金在815℃/379 MPa条件下的微观结构演变以及γ′相和η相在蠕变行为中的作用，设计了这三种合金。低Ti/Al比的LTA合金中含有更高比例的γ′相析出物。随着Ti/Al比的增加，γ′相析出物的尺寸和体积分数都会降低，而HTA和HTA-C合金中则更易形成η相。相反，碳元素的添加会抑制HTA-C合金中η相的形成。经过长期老化后，所有合金中的γ′相都会粗化，这一现象与LSW理论一致。HTA和HTA-C合金中γ′相的粗化速率较低，且其形态逐渐趋向于立方体结构。与LTA合金相比，另外两种合金的粗化速率更低，γ′相也逐步变为更接近立方体的形态，同时η相的含量持续增加。尽管长期老化会降低所有合金的蠕变寿命，但LTA合金的蠕变寿命仍是最长的。蠕变变形主要受位错与γ′相之间相互作用的影响，包括通过APB耦合位错对产生的剪切、Orowan绕过机制以及与内部堆垛缺陷相关的剪切作用。此外，γ/γ′界面处的位错网络也会发生变化。γ′相内的密集堆垛缺陷和位错会降低HTA和HTA-C合金的蠕变寿命。而且，η相的增多会导致形成缺乏钴、铬、钽和铌的γ′贫化区，从而削弱γ基体的强度，降低其抗蠕变性。因此，平衡η相的析出对于优化合金的各类性能具有重要意义。
引言
镍基超合金因其优异的高温蠕变性能、疲劳强度以及耐腐蚀性和热稳定性，被广泛用于燃气轮机和航空发动机的高温部件中[1]、[2]、[3]。然而，在长时间的热机械载荷作用下，蠕变损伤会逐渐积累，导致关键部件出现尺寸不稳定甚至失效[4]、[5]。因此，保持长期的抗蠕变能力和微观结构稳定性是重要的设计要求。在铸造镍基合金中，多晶γ′强化合金因具备出色的强度与稳定性平衡而被广泛选用[6]、[7]。不幸的是，经过长时间的高温作用后，以γ′相为主的微观结构会发生粗化和相变，进而逐渐降低合金的抗蠕变性能[8]、[9]。因此，阐明微观结构的演变机制及其对蠕变性能下降的影响，对于开发具有更好抗蠕变性能的镍基超合金至关重要。
这些合金的高温性能主要取决于相干γ′相的析出行为，因为这些析出物的尺寸决定了位错是通过剪切作用与其作用，还是通过Orowan机制绕过它们[10]、[11]、[12]。γ′相主要由铝和钛组成，通过调整铝和钛的浓度可以控制其体积分数和尺寸[10]、[13]。在γ′相中增加钛含量会提升反相边界能，从而有助于通过剪切机制增强合金强度[3]、[14]。钛还会影响合金元素在γ′相和γ基体之间的分布[15]。不过，当Ti/Al比超过某个临界值或钛含量过高时，η相倾向于在晶界或晶间区域以胞状、层状或维氏组织的形式优先析出[16]、[17]、[18]。同时，钛还会促进MC碳化物的析出，从而提高MC碳化物中的钛含量[19]、[20]、[21]。此外，碳含量的增加会促进MC碳化物的生成，这会消耗部分可用的钛元素，进而影响η相的析出[22]。因此，通过调控Ti/Al比和碳含量，可以有效控制γ′相和η相之间的竞争性析出。
在长时间的高温使用过程中，镍基超合金会因扩散作用和相变而持续发生微观结构演变。较高的钛含量会提升γ′相的溶解温度，从而提高其在高温环境下的稳定性[23]、[24]。然而，长时间的老化不可避免地会导致γ′相粗化并聚集，同时γ基体通道宽度以及位错与析出物之间的相互作用机制也会发生变化[25]。随着γ′相的不断生长，主要的变形机制会从通过APB耦合位错对的剪切作用转变为Orowan绕过机制，这使得位错的移动阻力增大。由于γ基体通道宽度与位错移动性密切相关，较窄的通道能提供更强的抗变形能力，而较高的γ′相体积分数则有助于增强相干强化效果，进而提升材料的力学强度[10]、[26]、[27]、[28]。与此同时，长时间的高温环境还会促进η相的析出和生长。先前的研究表明，γ′相中钛元素的富集为η相的形成提供了化学驱动力，而局部堆垛缺陷和晶格缺陷则可作为η相的优先形核位置[17]。η相的形成往往伴随着γ′相的贫化，因为钛和镍会被消耗掉，这就导致了γ′强化效应与η相转变之间的竞争关系[29]。
因此，多晶镍基超合金的蠕变行为与长时间高温环境下γ′相和η相的协同演变密切相关。先前的研究指出，η相可以通过承受变形并在自身与γ基体之间重新分配应力，从而为合金提供抗蠕变能力[30]。不过也有研究认为，过量的η相析出会消耗形成γ′相所需的元素，同时削弱周围基体的强度，从而降低材料的力学性能[17]、[31]。这些相互矛盾的结论表明，η相的作用在很大程度上取决于合金的化学成分和析出行为。虽然已有大量研究致力于了解γ′相的演变规律以及η相的形成机制，但Ti/Al比和碳含量对γ′相与η相竞争性析出的共同影响，以及这些因素对蠕变变形机制的后续影响，目前仍不够明确。尤其是碳元素的添加如何影响钛元素通过MC碳化物进行分配，以及这种分配对长期老化过程中相稳定性的影响，还有待进一步研究。
为了解决这些问题，本研究分析了三种具有不同Ti/Al比和碳含量的合金在长期使用过程中的微观结构稳定性及其后续的蠕变行为。以往的研究大多关注短期老化效应或单一的成分影响，而本研究则评估了在800℃下长时间加热（最长可达3000小时）过程中，Ti/Al比和碳元素添加的协同影响。研究人员在815℃、379 MPa的应力条件下系统地进行了高温蠕变试验，旨在建立相演变与材料性能退化之间的关系。本研究的目的是阐明Ti/Al比和碳含量是如何在长期老化过程中调控γ′相和η相的，以及它们在控制多晶镍基超合金蠕变变形机制中的作用。这些研究结果为通过平衡γ′相的稳定性与η相的析出，从而优化超合金的成分设计、提升其长期的微观结构稳定性与抗蠕变性能，提供了新的思路。
章节节选
材料与方法
表1列出了三种多晶镍基超合金的化学成分，这三种合金分别为LTA合金、HTA合金和HTA-C合金。利用配备TCNI12数据库的Thermal-Calc软件计算出了这三种合金的平衡相图，计算温度范围设定为600℃至1400℃。这些合金的铸态棒材是通过真空感应熔模铸造工艺制备的，之后还经过了多阶段的热处理。
平衡相图
在具有不同碳含量和Ti/Al比的三种合金中，观察到了不同的析出相分布。图1展示了这三种合金的平衡相图。如图1(a)、(d)所示，LTA合金中会析出γ基体、γ′相、M23C6相和MC碳化物，而在较低温度下还会形成少量的σ相。在HTA合金中，较高的Ti/Al比有利于进一步形成η相（见图1(b)、(e)）。相反，碳含量较高的HTA-C合金中则
γ′相的演变与成分变化
通过APT技术分析了经过3000小时长期老化后，γ′相与γ基体之间的元素分配情况，共对八种元素进行了成分分析（见图7）。图7(a)–(c)的结果显示，钴和铬元素倾向于向γ基体侧偏聚，而铝、钛、钽和铌则大量集中在γ′相中。相比之下，钨和镍元素的分布则没有明显的偏好。图7(d)–(f)进一步展示了这些元素浓度的定量分析结果。
结论
为了研究在800℃下长期老化3000小时后，不同Ti/Al比例和碳含量的三种多晶镍基超合金的微观结构演变以及γ′相和η相在蠕变行为中的作用，设计了这三种合金。主要研究结论如下：
- (1)
在三种合金中，Ti/Al比相对较低的LTA合金含有更高比例的γ′相析出物。提高Ti/Al比会降低γ′相析出物的尺寸和比例，同时促进
CRediT作者贡献说明
张雷蕾：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、方法设计、实验研究、数据分析。 耿英欣：论文撰写——审阅与编辑。 陈景阳：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、方法设计、数据分析。 杨庆：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据分析。 张明军：资源协调。 李庆：资金筹集。 肖成博：资源协调
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢以下机构提供的资金支持：先进材料-国家科技重大专项（项目编号：2024ZD0600400）、中国的国家科技重大专项（项目编号：J2019-VI-0004-0117）、AECC创新基金（项目编号：CXPT-2024-008），以及先进高温结构材料实验室基金（项目编号：6142903220101、6142903210104）。
张雷蕾|陈景阳|耿英欣|杨庆|李庆|张明军|肖成博
中国西安710048，西安工业大学材料科学与工程学院
