西工大《JMST》：新观点！镍基单晶高温合金的组织稳定性

镍基单晶高温合金具备优异的高温力学性能、组织稳定性、抗氧化性以及抗蠕变性能，被广泛用于先进航空发动机涡轮叶片的制造。随着目前涡轮叶片承温能力的不断提高，先进镍基单晶高温合金中W、Ta和Re等难熔元素的含量逐渐增加，其服役过程中组织稳定性显著恶化。因此，Ru元素被添加去提高合金的组织稳定性。然而，目前关于Ru元素对合金组织稳定性的作用机理尚不明确。

日前，来自西北工业大学凝固技术国家重点实验室的杨文超教授和张军教授采用3D-APT和TEM等先进手段揭示了Ru元素添加对镍基单晶高温合金组织稳定性的影响机理。研究发现，在1100 ºC热暴露期间，Ru元素加入显著促进了合金中γ′相筏化，抑制了拓扑紧密堆排（TCP）相析出；由于合金元素上坡扩散效应，在γ/γ′两相界面靠近γ基体一侧形成了富含Re、Co、Cr等的元素偏聚层，而Ru元素的添加可以明显降低这些元素的偏聚浓度。进而，通过TEM观察了TCP相的优先形核位置，提出了Ru元素添加对镍基单晶高温合金组织稳定性作用机理的新观点。一方面，Ru元素添加通过降低γ/γ′界面附近元素偏聚浓度增加了γ/γ′两相界面晶格错配度绝对值，促进了γ′相的筏化；另一方面，Ru元素的“逆分配”效应使得Re、Co、Cr等TCP相形成元素在γ/γ′两相界面附近的偏聚浓度降低，抑制了TCP相析出行为。相关研究成果以“New insights into the microstructural stability based on the element segregation behavior at γ/γ′ interface in Ni-based single crystal superalloys with Ru addition”为题发表于期刊Journal of Materials Science & Technology上。论文的第一作者为博士研究生刘晨，通讯作者为杨文超教授和张军教授，西北工业大学为唯一单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.02.007

图1 标准热处理后3D-APT组织重构图(a)0Ru合金和(c)3Ru合金和界面元素分布图(b) 0Ru合金和(d)3Ru合金

图1展示了标准热处理后2种合金3D-APT组织重构图和元素在γ/γ′界面上的分布情况。Re、Mo、Cr、Co和Ru主要分配于γ基体中，而Al和Ta则分配于γ′相中，W在两相中的分布较为均匀，且从γ/γ′界面一维元素分布图来看，标准热处理后两种合金中γ/γ′界面附近均未产生明显的元素偏聚层。

图2 1100 °C热暴露过程中γ′相演变过程：(a) 0Ru 合金, 100 h; (b) 0Ru合金, 500 h; (c) 3Ru 合金, 100 h; (d) 3Ru合金, 500 h

图2显示了1100 °C热暴露过程中2种合金γ′相演变规律。在1100 °C下暴露100小时后，除了少量的γ′析出相连接在一起外，两种合金的γ′析出相仍然保持立方状，但随着热暴露时间的延长，两种合金的γ′析出相进一步长大连接，3Ru合金中γ′析出相的筏形化程度明显要高于0Ru合金。

图3 1100 °C热暴露过程中TCP相演变过程：(a) 0Ru 合金, 100 h; (b) 0Ru合金, 500 h; (c) 3Ru 合金, 100 h; (d) 3Ru合金, 500 h

图3显示了两种合金在1100 °C热暴露期间TCP相的演变过程。0Ru合金在经过100 h的热暴露后一些块状的TCP相和针状的TCP相已经析出，TCP相的尺寸约为0.5 μm~2 μm。然而，在相同的热暴露时间下3Ru合金中并未观察到TCP相。当两种合金热暴露500 h后，0Ru合金TCP相的尺寸明显增大到6 μm左右，形成了大面积的TCP相群，然而，此时在3Ru合金中才有一些细小分散的针状TCP相析出，其尺寸仅在1 μm~3.5 μm之间。可见，Ru元素的加入明显抑制了TCP相的析出行为。

图4 1100°C热暴露100h后3D-APT组织重构图(a)0Ru合金和(c)3Ru合金和界面元素分布图(b) 0Ru合金和(d)3Ru合金

进一步，作者通过3D-APT技术研究2种合金在1100 °C下热暴露100 h后γ/γ′界面结构。如图4所示，0Ru合金中Re、Co和Cr元素在γ/γ′界面附近靠近γ基体相一侧产生明显的偏聚层，而3Ru合金中随着Ru元素的加入显著降低了γ/γ′界面附近的元素偏聚浓度。

图5界面元素偏聚（贫化）导致的 (a)吉布斯界面过剩值与(b)γ/γ′界面自由能改变量

吉布斯界面过剩量被用来定量分析由γ/γ′两相界面元素偏聚行为（贫化）对界面自由能产生的影响，如图5所示，其中Re、Co、Cr、Mo的吉布斯界面过剩值为正，而Ni和Al的吉布斯界面过剩值为负，从界面自由能的改变量可以看出，Re、Co、Cr在γ/γ′界面附近产生的偏聚行为显著降低了界面能，且3Ru合金的界面能总降低量低于0Ru合金。

图6 通过3D-APT数据计算γ/γ′晶格错配度

γ/γ′两相晶格错配度对镍基单晶高温合金组织稳定性和高温力学性能的影响远远大于γ/γ′两相的平均晶格错配度，因此作者计算了两种合金γ/γ′界面晶格错配度和γ/γ′两相平均晶格错配度，如图6所示。无论是标准热处理后还是1100 °C热暴露后，3Ru合金γ/γ′界面晶格错配度和γ/γ′两相平均晶格错配度值均比0Ru合金更负，且由于γ/γ′界面元素偏聚行为，γ/γ′界面晶格错配度比γ/γ′两相平均晶格错配度值实际上更负。

图7 TCP相的TEM表征：(a) 1100°C热暴露2h的TCP相明场像；(b) 1100°C热暴露5h TCP相的HAADF图像和EDS成分分析

为了进一步揭示TCP相在热暴露过程中的形核位置，作者采用TEM研究了0Ru合金在1100 °C短期热暴露过程中TCP相的析出行为，如图7所示。0Ru合金在1100 °C热暴露仅2 h后，一些细小的TCP相已经在γ基体中析出，且在γ/γ′界面附近的TCP相数量明显高于γ基体通道。因此，可以推断出TCP相优先在γ基体靠近γ/γ′界面附近析出，且TCP相形成元素正是热暴露过程中在γ/γ′界面附近的偏聚元素，如Re、Co、Cr等。

图8 Ru元素添加抑制TCP相析出过程的示意图

最终，作者提出了热暴露初期Ru元素添加抑制TCP相析出机理新观点，如图8所示。Ru元素添加通过对Re、Co、Cr等TCP相形成元素产生逆分配效应，降低了其在γ/γʹ两相界面处的偏聚浓度，抑制了TCP相在γ/γ′两相界面附近析出。

通讯作者

杨文超，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程、陕西省杰青和湖南省100个科技创新人才。长期从事铝合金、高温合金及其零件凝固成形基础和应用研究，主持国家自然科学基金、工信部强基工程项目课题等10项国家/省部级项目，发表学术论文90余篇，中科院一区/TOP期刊论文26篇，授权国家发明专利22件；获中国产学研合作创新奖、陕西省科学技术发明一等奖、中国精品科技期刊顶尖学术论文奖等；现任中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学分会委员，陕西省航空学会第十一届理事会理事，陕西省科技史学会第五届理事会理事。

张军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，中国机械工程学会高级会员及材料分会理事，国家自然科学基金学科评审专家，先进高温结构材料国家级重点实验室学术委员会委员。教育部高等学校教学信息化与教学方法创新指导委员会委员，中国高等教育学会工程教育专业委员会常务理事，中国教育发展战略学会理事，教育部本科教学工作审核评估专家、合格评估专家、工程教育认证专家。曾任西北工业大学教务处长、材料学院副院长、国家重点实验室副主任等。主要从事先进材料及其凝固技术和理论的教学与科研工作，获国家级教学成果奖一等奖1项，陕西省科学技术一等奖2项，教育部自然科学二等奖1项。发表学术论文340余篇，获国家发明专利40余项。先后承担国家自然科学基金重大和重点项目、国家973、国防973、国防863、国防基础科研、国防预研、航空基金等国家及省部级科研项目30余项，国家和省部级教育教学研究项目3项。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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