IN740H和H282镍基高温合金在700 °C下疲劳行为的对比研究

《Journal of Materials Research and Technology》：A Comparative Study on Fatigue Behavior of IN740H and H282 Ni-Based Superalloys at 700 °C

　　

作为700 °C先进超超临界（Advanced Ultra-Supercritical, A-USC）电站蒸汽轮机缸体的主要候选材料，IN740H和H282的高温疲劳性能至关重要。在本研究中，研究人员在700 °C恒应力幅控制下研究了其拉压疲劳性能，重点探讨了γ′强化相在调控疲劳行为中的关键作用。结果表明，IN740H合金在700 °C下表现出更优异的疲劳性能，具有更长的疲劳寿命和更高的疲劳强度。与H282合金相比，IN740H中较高的Cr、Co和γ′形成元素（Al、Ti、Nb）含量促进了γ′相在疲劳循环过程中具有更优的抗粗化能力，从而增强了其显微组织稳定性。在循环加载下，IN740H中的位错主要通过剪切机制与γ′析出相相互作用，促进了位错平面滑移并减轻了应变局域化，从而提高了对裂纹萌生和扩展的抵抗能力。这种相互作用显著延迟了疲劳裂纹萌生并降低了裂纹扩展速率，导致在高应力幅下具有更高的疲劳强度和更长的寿命。研究人员建立了实验合金成分、γ′相特征和高温疲劳性能之间的关联。

**论文解读：IN740H与H282镍基高温合金在700 °C下的疲劳行为对比研究**

**研究背景与问题**
煤电是全球能源供应的基石，但也是最大的CO₂排放源。在能源需求增长和气候变化双重压力下，提高煤电机组热效率成为行业转型的关键。先进超超临界（Advanced Ultra-Supercritical, A-USC）技术以700 °C蒸汽参数为目标，可将机组净效率提升至50%以上，显著降低煤耗和CO₂排放。然而，耐热材料的开发与部件制造是制约A-USC电站发展的瓶颈。对于700 °C蒸汽轮机缸体这一关键部件，传统铁素体/马氏体钢和奥氏体耐热钢已无法满足要求，镍基高温合金凭借其优异的高温强度和显微组织稳定性成为候选材料。其中，沉淀强化型IN740H和H282合金备受关注。IN740H通过优化Ti/Al比和Nb含量，有效抑制了长期服役中脆性G相和针状η相的析出，提升了稳定性和焊接性；H282则以优异的热稳定性、可加工性和高于760 °C的高应力断裂强度著称。两者的强化主要源于L1₂有序γ′相。然而，现有研究多聚焦于长期时效、蠕变及热处理优化，针对700 °C等温疲劳行为的系统对比研究，尤其是将成分差异与γ′特征及高温疲劳性能关联的研究尚缺乏，且用于缸体铸造态的疲劳数据极为有限。因此，有必要开展对比研究，揭示γ′相在调控疲劳性能中的关键作用，为材料选择和显微组织优化提供依据。

**研究内容与结论**
本研究以铸造IN740H和H282镍基高温合金为对象，在700 °C下进行应力控制拉压疲劳试验，结合显微组织表征，系统对比了它们的疲劳行为。主要结论包括：IN740H合金在相同应力幅下具有更长的疲劳寿命、更高的疲劳强度和疲劳强度系数，表现出更优的高温疲劳抗力；断口分析显示IN740H具有更细密疲劳辉纹和更多二次裂纹，有效分散主裂纹尖端应力集中，降低裂纹扩展速率；IN740H中位错以剪切机制为主，促进平面滑移均匀性，减轻局部损伤累积，提高抗裂纹萌生和扩展能力；成分差异直接影响γ′相特征和显微组织稳定性，IN740H中较高的Cr、Co和Nb含量促进了γ′相在疲劳循环中的抗粗化能力，且Nb进入γ′相增大γ/γ′晶格错配度，增强共格应变强化，共同贡献了优异的疲劳性能。该研究发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用真空感应熔炼制备母合金并铸造试棒，分别进行特定热处理（IN740H: 1100 °C/2 h→1200 °C/8 h/空冷+800 °C/8 h/空冷；H282: 1100 °C/2 h→1200 °C/8 h/空冷+788 °C/8 h/空冷）。利用JMatPro软件进行热力学平衡计算。疲劳试验在700 °C下使用TESTRONIC高频疲劳试验机进行应力控制拉压疲劳（R=-1，f≈83 Hz）。采用扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌，电子背散射衍射（EBSD）分析断裂附近纵向截面，透射电子显微镜（TEM）观察变形结构及位错组态。

**研究结果**

**3.1 初始显微组织**
通过热力学计算和光学显微镜（OM）及SEM观察，IN740H和H282合金在热处理态主要由γ基体、γ′相和少量M₂₃C₆碳化物组成。700 °C下平衡γ′相质量分数分别约为19.08%和19.86%。IN740H平均晶粒尺寸618.4 μm，H282为750.5 μm，两者均为铸造粗晶组织。

**3.2 高温疲劳性能**
基于Basquin关系拟合得到S-N曲线，IN740H的疲劳强度系数σ'_f=2083 MPa，b=-0.130；H282的σ'_f=1742 MPa，b=-0.121。在相同应力幅下，IN740H疲劳寿命显著高于H282；疲劳强度（10⁷周次不失效的最大应力幅）IN740H为275 MPa，H282为250 MPa，表明IN740H具有更优高温疲劳抗力。

**3.3 疲劳断口分析**
断口宏观观察显示所有试样均呈现疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区三区特征。IN740H的裂纹扩展区面积比例更大，表明更长的裂纹扩展阶段。350 MPa下，两合金裂纹萌生于表面或亚表面晶体学小平面，呈现Stage I扩展特征；IN740H疲劳辉纹间距（约1.5 μm）小于H282（约2.2 μm），表明裂纹扩展速率更低。450 MPa下，IN740H出现更多二次裂纹，有助于分散主裂纹尖端应力，进一步降低扩展速率；瞬断区IN740H呈韧窝特征，H282呈脆性沿晶断裂。EBSD分析表明，IN740H晶粒更细更均匀，高取向差（Grain Orientation Spread, GOS）区域比例更低，施密特因子（Schmid factor, SF）高值晶粒比例（57.2%）低于H282（67.2%），说明IN740H应变分布更均匀，抗裂纹萌生能力更强。

**3.4 疲劳变形过程中的显微组织演变**
TEM暗场像和选区电子衍射（SAED）显示，疲劳后两合金γ′相均发生粗化，但IN740H粗化程度更低。450 MPa下，IN740H γ′平均尺寸从26.19 nm增至27.38 nm，H282从21.22 nm增至25.41 nm；350 MPa下，IN740H增至33.52 nm，H282增至35.57 nm，表明IN740H γ′相具有更优的抗粗化稳定性。位错组态观察显示，IN740H中主要形成均匀分布平面滑移带，滑移带间距较大（约511.2 nm），位错密度较低（2.8×10¹⁴ m^-2）；H282中则出现位错塞积、缠结和弯曲段，滑移带间距较小（约357.8 nm），位错密度较高（5.3×10¹⁴ m^-2），表明H282应变局域化更严重。两合金均观察到反相畴界（APB）约束的位错对和层错。

**讨论总结**
讨论部分从成分差异和位错交互机制两方面解释疲劳性能差异。IN740H中较高的Cr、Co和Nb含量降低了γ/γ′界面能和溶质扩散系数，从而降低粗化速率；Nb进入γ′相增大γ/γ′晶格错配度（0.636% vs. H282的0.028%），增强共格应变强化。位错与γ′相交互作用定量统计显示，IN740H中剪切机制占79.7%，Orowan绕过占20.3%；H282中剪切占68.8%，绕过占31.2%。临界分切应力计算表明，IN740H实际γ′尺寸（27.38 nm）远小于临界转变尺寸（34.95 nm），剪切机制能量更有利；H282实际尺寸（25.41 nm）接近临界尺寸（29.91 nm），部分较大γ′相使绕过机制具有竞争力。剪切机制促进平面滑移和可逆性，延缓损伤累积；绕过机制则导致粗滑移带和应变局域化，加速疲劳损伤。

**研究结论**
（1）IN740H合金在相同应力幅下具有更长的疲劳寿命，疲劳强度和疲劳强度系数均显著高于H282合金，表现出更优的高温疲劳抗力。
（2）断口分析表明，IN740H合金具有更细密的疲劳辉纹和更多的二次裂纹，这些特征有效分散了主裂纹尖端的应力集中，导致更低的疲劳裂纹扩展速率。
（3）IN740H中剪切机制的主导地位促进了平面滑移均匀性，减轻了局部损伤累积，从而增强了抗裂纹萌生和扩展能力。
（4）成分差异直接影响γ′相特征和显微组织稳定性。IN740H中较高的Cr、Co和Nb含量促进了γ′相在疲劳循环中具有更优的抗粗化能力。此外，Nb进入γ′相增大了γ/γ′晶格错配度，增强了共格应变强化。这些成分效应共同贡献了该合金优异的疲劳性能。