Mar-M247镍基超级合金在不同蠕变条件下的微观结构演变及变形机理

《Progress in Natural Science-Materials International》：Microstructure evolution and deformation mechanisms of Mar-M247 nickel-based superalloy under different creep conditions

　　

摘要

Mar-M247镍基超合金因其优异的高温性能而广泛应用于燃气轮机叶片中。这些叶片在极端条件下运行，温度范围为760°C至980°C，施加的应力为200MPa至724MPa。在本研究中，一种新型的热处理工艺在Mar-M247涡轮叶片中产生了双峰γ′相结构。在典型的服役条件下进行了蠕变试验，以评估该合金的蠕变抗力。结果表明，在低温和高应力下，主要的晶内变形机制是堆垛错位和反相界面（APB）剪切。此外，较低的晶界强度加速了三级蠕变，导致沿晶界形成楔形裂纹并最终断裂。相反，在高温和低应力下，氧化和扩散促进了裂纹的产生和扩展。在这些条件下，APB剪切和γ/γ′界面处的位错网络形成主导了晶内变形。

引言

陆基燃气轮机在热能转换方面效率极高。提高热效率需要更高的涡轮入口温度，这要求涡轮叶片具有更好的材料性能。在叶片材料中，Mar-M247超合金由Martin公司在20世纪70年代开发[1]，具有卓越的高温强度、蠕变抗力和耐腐蚀性[2,3]。此外，添加铪（Hf）提高了铸件成型性，使该合金适用于具有内部空腔的复杂涡轮叶片。

燃气轮机叶片面临极端条件：高温、高压和腐蚀性环境。这使得它们容易发生腐蚀、疲劳和蠕变。对于像Mar-M247这样的镍基超合金来说，蠕变变形是其服役寿命中的主要失效模式，而涡轮叶片还会受到离心应力的影响。先前的研究对Mar-M247的蠕变行为提供了重要见解。例如，通过热等静压（HIP）处理后进行固溶处理和双步时效处理，可以产生双峰γ′结构，与单峰γ′沉淀微观结构相比，其强度更优[4,5]。Mar-M247合金中的晶界是关键的薄弱点[6]。特别是在低温和高应力条件下，蠕变断裂通常从晶界的MC型碳化物开始[7]。同时，在初次蠕变过程中会形成γ′聚集体，并在二次蠕变过程中进一步发展，而初次γ′相的聚集体形成需要比二次γ′相更严格的条件[6]。此外，由于Mar-M247的堆垛错位能（SFE）较低，在760°C/470MPa条件下，蠕变过程中同时发生反相界面（APB）剪切、堆垛错位（SF）剪切和微孪晶形成[8]。

尽管有这些重要的发现，但以往的研究主要使用圆柱形试样而不是实际的涡轮叶片，并且关注的温度和应力范围较窄。这限制了人们对材料在实际或接近服役条件下行为的理解。为解决这一问题，本研究旨在通过分析从全新、未使用过的叶片中提取的样品来评估Mar-M247超合金涡轮叶片的蠕变性能。在包括低温/高压和高温/低压在内的代表性服役条件下系统地评估了蠕变行为。通过探讨温度、应力、微观结构、断裂机制和变形行为之间的关系，这项研究提供了对Mar-M247在燃气轮机应用中性能的全面理解。研究结果旨在为Mar-M247在接近服役条件下的性能提供关键数据，并为燃气轮机叶片的设计和优化提供参考。

章节片段

材料

本研究使用的材料是一种经过γ′加强的镍基超合金Mar-M247，以铸件形式提供。表1列出了该合金的化学成分（按重量百分比）。与标准热处理工艺（包括在1185±10°C和150MPa下的2-4小时HIP热处理、在1080±10°C下的3小时固溶处理以及在870±10°C下的20小时时效处理[2,7,9]）不同，本研究中的材料在HIP处理后还进行了额外的两步高温中间热处理。

原始Mar-M247的微观结构表征

图4显示了Mar-M247合金的热处理后的微观结构，具有平均尺寸为2.3毫米的树枝状晶粒（图4a）。微观结构由γ基体、γ′相、γ/γ′共晶相以及各种碳化物组成（图4b）。碳化物和γ/γ′共晶主要分布在晶间区域和晶界处（图4c）。图4c中的白色箭头标记了碳化物，包括MC型和M₂₃C₆型碳化物。MC型碳化物呈块状或羽毛状。

蠕变过程中的微观结构演变

热处理后的Mar-M247微观结构具有粗大的拉长晶粒（图4a），这降低了高温下的晶界断裂（GBS）并提高了蠕变抗力[20,21]。双峰γ′相分布进一步提高了蠕变抗力，尤其是在涡轮叶片中[22],[23],[24]。微观结构在热处理和蠕变过程中会发生显著变化。首先考察了热处理的影响，重点关注γ′相的演变，这对合金强度有显著影响。

结论

本研究系统地研究了Mar-M247合金在各种温度和应力下的蠕变行为。研究重点关注微观结构演变、断裂模式以及蠕变过程中的变形机制转变。主要结论如下：

1.

采用新型热处理工艺后，获得了两种不同大小和形态的γ′沉淀物。较大的微米级γ′沉淀物是立方形的，而数十纳米大小的球形γ′沉淀物则分布均匀。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

刘伟：撰写——原始稿件、可视化、调查、正式分析、数据管理。赵新宝：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。王长帅：资源协调、方法论研究、资金筹集。龚秀芳：资源协调、资金筹集。董娜：资源协调、资金筹集。范云鹏：正式分析、数据管理。岳全钊：方法论研究。夏万顺：撰写——审稿与编辑、验证。顾月峰：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了先进材料-国家科技重大项目（2025ZD0608600）、东方电气集团与浙江大学创新研究院基金项目（2023-KYY-132013-0010）以及四川省科技计划（2024YFTX0056）的共同支持。

刘伟|赵新宝|王长帅|龚秀芳|董娜|范云鹏|岳全钊|夏万顺|顾月峰|张泽