γ%27相对镍基高温合金强度、疲劳与蠕变性能影响的研究进展.pdf

D0I:10.11973/xgccl202306001MATERIALS FORMECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.6Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料相对镍基高温合金强度、疲劳与蠕变性能影响的研究进展朱金群，安春香，陆翌昕，朱明亮，轩福贞（1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海2 0 0 2 3 7；2.上海电气电站设备有限公司，上海2 0 0 2 40）摘要：独特的相使镍基高温合金具有良好的疲劳和蠕变性能，在航空航天和高参数发电等领域具有广阔的应用前景。从相的尺寸、含量和位错强化方面介绍了相对镍基高温合金强化行为的影响以及位错与析出相交互作用的剪切、Orowan绕过和攀移等强化机制，阐述了相对镍基高温合金疲劳和蠕变性能的影响。最后，对镍基高温合金中相的优化及相关性能调控进行了展望。关键词：相；镍基高温合金；疲劳；蠕变；位错中图分类号：TG146.1文献标志码：A文章编号：10 0 0-3 7 3 8（2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 7Research Progress on Effect of Phase on Strength,Fatigue andCreep Properties of Nickel-Based SuperalloysZHU Jinqun,AN Chunxiang,LU Yixin,ZHU Mingliang,XUAN Fuzhen(1.School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:Nickel-based superalloys have good fatigue and creep properties due to their unique phase,andhave wide application in aerospace and high-parameter power generation industries.The effect of phase on thestrengthening behavior of nickel-based superalloys from aspects of size and content of phase and dislocationstrengthening,and the strengthening mechanisms of interaction between dislocations and precipitates,includingshear,Orowan bypass and climb,are described.The influence of phase on fatigue and creep properties of nickel-based superalloys is discussed.Finally,the optimization of phase and associated performance control of nickel-based superalloys are prospected.Key words:phase;nickel-based superalloy;fatigue;creep;dislocation0 引言镍基高温合金门具有较高的高温强度、良好的蠕变与疲劳性能，广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温设备。燃气轮机和航空发动机的重要部件在工作中往往承受着高温、高压等复杂循环载荷的作用，这使得镍基高温合金的疲劳和蠕变性能成为高温设备设计和制造工艺优化的基础与关键。镍基高温合金主要由基体相和相组成，收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1；修订日期：2 0 2 3-0 5-16基金项目：上海市教育委员会科研创新计划资助项目（2 0 2 3-0 5-49）作者简介：朱金群（19 9 7 一），男，安徽安庆人，硕士研究生通信作者（导师）：朱明亮教授相是热处理后析出的一种沉淀强化相Nis（A l,T i），由易在界面区位错周围富集 2 的铝原子与基体中的镍和钛原子结合形成3 。经过多年的研究，相的强化机制逐渐被人们所认识 4-6 ，其含量和尺寸对镍基高温合金的疲劳和蠕变性能也有着重要的影响 7-9 。GAYDA等 10 和EVERITT等 通过试验观察发现，相含量的增加和尺寸（文中尺寸均指直径)的减小均有利于提高镍基高温合金的疲劳性能。BARAT等 12 1通过透射电镜观察发现，镍基高温合金中的位错与相之间存在剪切和Orowan绕过2种强化机制，该机制由相尺寸决定；当相尺寸逐渐增大时，位错运动过程中的相互作用机制由剪切逐渐转变为Orowan绕过机制，这降低了位错运动的阻力，导致疲劳裂纹扩展能力减弱。FENGMATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING朱金群，等，相对镍基强度、疲劳与蠕变性能影响的研究进展机械工程材料等 13 研究发现，可以通过合适的热处理控制相在合金中的分布，进而改善镍基高温合金的蠕变行为；相含量的增加、尺寸的减小均有利于提高镍基高温合金的蠕变抗力 14151。RAI等 16 研究表明，变性能较差镍基高温合金试样的亚结构主要由Orowan绕过机制控制位错绕过相形成，而蠕变性能较好试样的亚结构由位错剪切相形成，相的尺寸决定着剪切与Orowan绕过哪种机制占主导。目前，研究人员主要通过改变热处理工艺 11.17-19 来来获得不同尺寸和含量的相，从而调控镍基高温合金的强度以及疲劳与蠕变性能。为了给相关研究人员提供参考，作者综述了相对镍基高温合金强化行为的影响及机制，介绍了相含量和尺寸对疲劳和蠕变性能影响的研究进展，并对下一步研究方向进行了展望1相的强化机制1.1相与合金强度相是镍基高温合金的主要强化相 2 0 ，其尺寸和含量是影响镍基高温合金力学性能的重要因素1.8.2 1。WANG等利用不同热处理方式获得了相体积分数分别为10%，3%以及不含相的Nimonic263合金试样，发现试样的强度随着相体积分数的增加而增大。JOSEPH等 2 2 研究了相尺寸分别为43，10 0 nm的Haynes282合金在常温下的拉伸性能，结果表明含粗大相试样的屈服强度远远低于含细小相试样。GAYDA等 2 1制备了相体积分数分别为44%，3 4%和尺寸分别为250,30nm的Astroloy合金试样，发现合金试样的屈服强度随着相尺寸的减小或相体积分数的增加而提高。PANG等 2 3 和刘健等 17 对U720Li合金的研究也证实了这一观点。可以看出，相尺寸的减小和相含量的增加可以有效提高镍基高温合金的屈服强度 5.8.2 2 1.2位错强化机制金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错理论可以很好地解释材料力学性能的变化。镍基高温合金中析出的相对位错运动的阻碍作用强化了合金的强度。XIAO等 2 4 将由透射电镜观察到的GH4037镍基高温合金中的位错结构与其拉伸试验数据关联起来，发现随着相数量的减少，位错与相的相互作用程度降低，导致合金的屈服强度下降。HU等 2 5 研究发现，固溶时效处理的GH4099高温合金中含有较高含量的相，增加了基体中位错滑移的阻力，因此具有优异的拉伸性能。DELVALLE等 2 6 通过对InconelX-750高温合金的时效硬化行为进行分析，建立了相与位错相互作用的关系模型：a=(or+o)+a(od)(1)式中：为位错流动应力；of为晶格摩擦应力；s为固溶强化作用力；为相作用力；od为位错-位错相互作用力；（，）为相-位错相互作用力。相通过剪切机制和Orowan绕过机制，对位错的运动起到阻挡作用8。相具有LI长程有序结构，当位错剪切有序的相时，滑移面上下原子的有序排列被打乱，产生弹性应力场，阻碍位错的运动，从而导致镍基高温合金强度提高 2 7 。位错对相进行剪切后，会产生明显的断层面，这也是众多学者判断是否存在剪切机制的方法 13 。KOZAR等 2 8 在对IN100镍基高温合金中位错与相的作用机制进行研究后认为，镍基高温合金中的剪切机制可分为弱耦合位错模型和强耦合位错模型2 种。当相尺寸较小时，位错对可能不存在于单个相中，此时的剪切机制为弱耦合位错模型；当相尺寸较大时，位错对可同时存在于单个相中，剪切机制为强耦合位错模型27.29-30。引弱耦合位错模型和强耦合位错模型如下：3/2bdg1/21YAPB1TWCD2bTaA2b(2)V3Te1/2dAPB1/2TSCD1.28(3)2bdwTa式中：tWCD，T SCD 分别为弱耦合和强耦合的剪切应力；APB为相的反相边界能;b为基体中边缘位错的Burgers矢量；w为一个无量纲常数；d为相直径；为相的体积分数；为反相畴界（APB)的界面能；T。为位错的线张力；A为取决于相形态的数值因子。由式（2)和式（3)计算得到的剪切应力，可以绘制出弱耦合和强耦合位错模型的剪切应力与相尺寸的关系图；随着相尺寸的增加，镍基高温合金中的位错剪切机制从弱耦合剪切转变为强耦合剪切，强弱耦合模型曲线的交点对应的相尺寸为临界相尺寸，此时相的强化作用最强 3 1。当位错在相之间弯曲所需的应力小于位错穿过相所需的应力时，就会发生Orowan绕过机制。位错绕过相时，在相周围形成位错环，位错环的存在减小了相的间距，增大了后续位错绕MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING朱金群，等相对镍基、疲劳与蠕变性能影响的研究进展中机械工程材料过相的阻力，从而强化了合金 5。位错绕过相所需的临界剪切应力与合金的剪切模量、相的尺寸和间距等有关。Orowan绕过机制的剪切应力计算公式 3 2 如下：GbToro(4)入2(1-)d入二(5)3式中：toro为Orowan绕过机制的剪切应力;G为剪切模量；入为相平均间距。由式（4)和式（5)可以看出，随着相尺寸的增大，绕过相所需的剪切应力逐渐减小，当小于位错穿过相所需的应力时，就会发生Orowan绕过机制。DELVALLE等 2 6 研究发现，在Inconel X-750镍基高温合金中，存在一个临界相尺寸（40 n m），在临界尺寸以下位错剪切机制起作用，反之则是Orowan绕过机制起作用。SHIN等 5 观察到不同热处理的Haynes282合金表现出混合变形模式，当相尺寸为3 9 nm时合金表现出典型的位错剪切机制，大于该尺寸变为Orowan绕过机制。综上所述，当相尺寸足够小时，镍基高温合金的强化机制为弱耦合剪切机制，随着相尺寸的增加，位错与相的相互作用机制由弱耦合剪切转变为强耦合剪切。强、弱耦合模型曲线的交点对应于强-弱耦合转变点，此时相对镍基高温合金的强化效果最好。随着相尺寸的进一步增大，相对位错的阻碍作用减小，当位错绕过相所需的剪切应力小于强耦合剪切机制的剪切应力时，强化机制由剪切向Orowan绕过机制转变，相对镍基高温合金的强化效果减弱。2相对疲劳性能的影响2.1位错滑移的影响位错滑移是镍基高温合金重要的塑性变形模式。在外加循环载荷作用下，位错在裂纹尖端的塑性区附近增殖，随后发生位错缠结，使得位错沿滑移带的运动受限，当位错累积到一定程度时滑移带开裂产生裂纹，从而加速疲劳裂纹的扩展；因此，位错累积是决定裂纹形核并扩展的重要因素 3-3 41。相可以通过影响裂纹尖端的滑移特性来影响疲劳裂纹扩展行为；细小和较高含量相的存在有利于提高位错滑移的可逆性，降低位错累积程度。在剪切应力作用下，位错可以沿着特定滑移面进行移动，产生平面滑移。而当镍基高温合金中有序密集分布的细小相被位错对剪切后，就会成为组织中的“脆弱”通道，