FGH96超级合金中氧诱导MC碳化物演变及其力学响应的晶体塑性模拟

《Materials Science and Engineering: A》：Crystal plasticity simulation of oxygen-induced MC carbide evolution and mechanical response in FGH96 superalloy

　　

摘要

本研究重点分析了氧杂质对FGH96超级合金微观结构特征及其后续力学性能的显著影响。研究采用电子背散射衍射与晶体塑性有限元方法相结合的技术，系统地量化了不同微观结构特征对力学性能的影响。结果表明，热加工工艺和氧含量共同决定了微观结构特征的发展，包括等轴晶和混合晶的形成、MC碳化物的数量密度以及晶内和晶界处的MC碳化物分布。研究发现，细小且均匀的等轴晶微观结构，加上均匀分散在晶内的MC碳化物，可通过促进应力均匀扩散并引发跨晶断裂，从而提升超级合金的强度，使基体能够充分发挥其变形潜力。相反，过高的氧含量会促使晶界处形成MC碳化物及混合晶，阻碍应力扩散，导致严重的局部应力集中、晶界过早脱粘，进而无法充分实现基体的内在力学潜力。因此，控制氧含量并优化热加工参数，以获得具有均匀分布晶内MC碳化物的等轴晶微观结构，是提升超级合金整体力学性能的有效策略。

引言

FGH96超级合金是一种粉末冶金镍基超级合金，因其均匀的微观结构、较高的高温强度以及优异的疲劳抗力，被广泛用于温度高达650℃的航空发动机涡轮盘等关键部件中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在氩气雾化过程中，仅有约70%的雾化粉末能满足使用要求，而剩余的约30%——主要是粗颗粒——通常会被作为粗粉返回重新利用[6]。为降低涡轮盘制造成本，近年来人们对粗粉的回收再利用越来越重视。然而，在粗粉的生产和处理过程中，氧和氮等间隙元素的含量往往会显著增加，这可能对超级合金的性能产生重要影响。当这类含氧量较高的粗粉被再次用于超级合金生产时，过多的氧会导致氧化物夹杂物及先前期粒子界的形成。在热加工过程中，这些氧化物夹杂物可作为MC碳化物的异质形核点，从而促进碳化物的析出。这些析出的MC碳化物还会通过晶界钉扎和拖拽作用影响再结晶行为，最终细化晶粒结构，改变超级合金的微观结构特征[6]。

因此，氧元素会显著影响超级合金的微观结构特征，包括晶粒结构和碳化物特性，而由此产生的微观结构演变则是决定合金力学性能的关键因素。具体而言，晶粒细化强化作为提升超级合金整体性能的核心机制，可通过增加晶界密度来阻碍位错运动，从而提高强度[7]、[8]。在增材制造中，可通过溶质富集和成核剂诱导的成分过冷来实现晶粒细化[7]、[9]，而传统加工方法则通过动态再结晶和晶界钉扎获得超细晶粒[10]、[11]。细化的晶粒还可与变形孪晶和堆垛层错协同作用，进一步提升材料的加工硬化能力[12]、[13]、[14]。诸如深冷轧制之类的极端变形工艺甚至可以引入纳米级孪晶结构[15]，而在粉末冶金领域，热挤压则可通过动态再结晶促进晶粒细化[16]。不过，当细晶粒与粗晶粒共存形成混合晶粒结构时，这种微观结构的非均匀性可能会对力学性能产生不利影响。这种通常在热机械加工过程中产生的微观结构不均匀性，容易引发应变不匹配和应力局部集中，进而降低材料的强度和延展性[17]。在再结晶过程中，晶粒细化受储存在材料中的应变能量以及动态再结晶程度的共同影响：较高的变形能量有助于形成均匀的细晶粒，而适中的应变能量则可能导致非均匀或粗化的微观结构[18]。同时，无论是晶内还是晶界的MC碳化物的密度和分布位置，都会通过不同的作用机制共同影响超级合金的力学性能。适量的晶内MC碳化物可以有效阻碍位错运动[19]，而晶界处的MC碳化物则可钉扎晶界，提升强度[20]。然而，过量的MC碳化物可能成为微裂纹的起始点[21]、[22]、[23]，而且长期使用过程中MC碳化物的分解还会引发微孔形成，进而降低超级合金的使用寿命[24]、[25]、[26]。

在氧含量较高的FGH96超级合金中，这些微观结构特征往往会同时发生变化并相互作用，因此很难通过传统实验单独确定各因素的影响，只能得到它们的综合效应。为定量分析不同微观结构特征的各自影响，并揭示其背后的微观力学机制，本研究采用了晶体塑性有限元方法。该方法能够在代表性体积单元内独立设定微观结构参数，如硬质颗粒的特性和晶粒结构等[27]、[28]，从而为微观结构特征与变形机制之间的关联提供定量分析框架。

通过高温拉伸试验结合电子背散射衍射分析，系统阐明了氧元素影响超级合金力学性能的机制。实验观察结果显示，氧元素在调控超级合金的微观结构特征方面起着重要作用，包括MC碳化物的特性和晶粒结构。此外，晶体塑性有限元方法还定量分析了这些微观结构特征对合金力学响应的单独作用及协同作用。最终，本研究建立了氧含量、微观结构特征与力学性能之间的理论框架，为理解氧元素在超级合金中的作用及其对性能的调控机制提供了理论依据。

章节节选

合金制备

FGH96超级合金粉末由北京航空材料研究院提供，其化学成分（重量百分比）为0.05C-16.0Cr-13.0Co-4.0W-4.0Mo-2.0Al-3.8Ti-余量为镍。为确保粉末颗粒尺寸均匀，所有粉末均经过250目筛网过滤。初始粉末的氧含量为140 ppm。经过表1中所列的氧化处理后，得到了五种不同氧含量的粉末。氧化处理完成后，这些粉末

初始微观结构

图1展示了不同氧含量的HIP处理后超级合金的微观结构，显示了合金中氧的存在形式，以及粉末表面氧对碳化物析出和先前期粒子界结构的影响。图1a和图1b分别展示了氧含量为140 ppm和340 ppm的超级合金的BSE图像。在这些BSE图像中，不同的析出物呈现出不同的灰度等级和特征形态。其中，亮度最高的析出物为

讨论

氧含量对超级合金的微观结构产生了显著影响，这体现在MC碳化物的数量密度和分布位置、γ'相析出物的尺寸和面积分数以及晶粒尺寸等方面。此外，热加工还改变了MC碳化物的分布特征。这些微观结构的变化共同影响了超级合金的拉伸性能。在此基础上，本研究还进行了晶体塑性有限元模拟，将MC碳化物纳入模拟模型中

结论

本研究的主要结论如下：

• (1)
  阐明了晶内MC碳化物影响超级合金力学性能的机制。均匀分布的晶内MC碳化物可通过奥罗万机制有效增强超级合金的强度，且不会破坏晶界的连续性。随着超级合金中氧含量的增加，晶内MC碳化物的数量密度也会上升，当氧含量达到一定水平时，这类碳化物仍会占据主导地位

作者贡献声明

刘玉峰：资金获取。徐文勇：资金获取。曲宣辉：资金获取。赵伟伟：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。张鹏：论文撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取。张林：论文撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。

数据可用性

本文所述研究未使用任何数据。

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利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的资助：先进材料-国家科技重大专项（编号：2025ZD0609401）、中国自然科学基金（编号：52474387、52374366、52204390）、深圳市科技计划项目（编号：CJGJZD20230724093159002）、中央高校基本科研业务费（编号：FRF-TP-24-08C），以及江西省“双千计划”人才项目（编号：203075000041）。

赵伟伟|张鹏|张林|张沙|刘玉峰|徐文勇|曲宣辉

中国北京市100083，北京科技大学先进材料与技术研究院，材料基因组工程北京先进创新中心