鎳基單晶合金高溫蠕變行為的研究新進展

秦維銳

（陜西省西安高新第一中學，陜西 西安 710016）

一、引言

航空發動機渦輪葉片長期處于高溫下，受到復雜應力和燃氣沖擊腐蝕等綜合作用，工作條件十分惡劣。渦輪葉片等熱端部件的可靠性是影響發動機性能和壽命的關鍵因素和技術難點。鎳基單晶合金因具有較高的高溫強度、優異的蠕變、疲勞抗力及良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性，被廣泛用于制造航空發動機的渦輪葉片等核心部件。

鎳基單晶合金通過定向凝固技術消除了晶界，使其高溫抗蠕變、疲勞性能大大增強，成為最受關注、應用最廣的高溫合金。隨著發動機服役溫度的不斷提高，單晶材料的蠕變行為和變形機制也隨溫度升高表現出不同的特征。因此，建立合適的本構模型對鎳基單晶合金的蠕變行為進行預測，對于我國航空發動機葉片設計、強度分析和壽命預測具有重要的意義。

二、鎳基單晶合金的發展趨勢及現狀

鎳基單晶合金由于其優異的抗蠕變、疲勞和耐腐蝕性能，在過去的幾十年里得到了世界各國的重視，并形成了合金系列應用到航空發動機的熱端部件中，如美國的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英國的RR2000系列，法國的 MC2、MC-NG 系列，日本的 TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。我國鎳基單晶高溫合金研制從20世紀80年代初開始，現已發展到以DD22為代表的第四代合金材料，但是，合金性能和發達國家相比尚存在一定的差距，距離大范圍實際應用還有較長的路要走。

鎳基單晶合金優異的高溫性能得益于Re、Ru、W等難熔金屬的添加。Re的添加有助于改善高溫合金的顯微組織和熱穩定性，降低不穩定相及單晶缺陷等的影響，從而顯著增強單晶合金的高溫抗蠕變性能。研究表明，Re在合金中擴散最慢且Re團簇作為位錯運動的障礙，增加位錯運動的熱激活能；Re的界面富集影響晶格錯配和位錯攀移；Re還與筏結構和界面位錯網有密切關系。因此從第二代單晶合金開始Re的含量從2%不斷增加到6%。但是，Re的添加增加了TCP相的析出，TCP相作為質硬且脆的有害相，極易在蠕變過程中促進微裂紋的萌生，降低單晶葉片的使用壽命。從第四代合金開始，在Re保持較高含量的同時添加一定量的Ru，以抑制TCP相的形成，改善合金性能。

三、鎳基單晶合金的蠕變機制研究

鎳基單晶合金的高溫變形主要通過位錯沿著特定的晶體學平面滑移完成。高溫條件下合金微結構的演化會對位錯運動產生阻礙，進而影響材料的蠕變性能。因此，要研究單晶合金的蠕變機制，必須建立在深刻認識蠕變過程中材料微結構演化規律的基礎上。在不同溫度范圍和應力水平下，晶體活化能不同，微結構的演化不同，從而位錯運動模式也不同，進而使得鎳基單晶合金的蠕變行為表現出不同的特征。

在低溫度（750℃）高應力下，蠕變曲線具有明顯的第一、第二階段。位錯首先在基體內產生并增殖，位錯密度增加，蠕變速率逐漸降低。當位錯運動至界面時，位錯在相界上發生攀移，或是以堆垛層錯的方式切割相。由于位錯攀移和切割耗能，且位錯在相界相遇后發生位錯反應，蠕變率逐漸達到平衡。在蠕變進入第三階段后，位錯以位錯對的形式切割沉淀相，多個滑移系同時開動，使得蠕變率迅速增加。

在較高溫度（950℃）下，蠕變曲線的第一階段幾乎消失，僅呈現出第三階段的特征，蠕變率隨時間單調上升。位錯首先在相增殖和運動，由于相含量較高，位錯被限制在狹小的基體通道內，蠕變變形的主要機制為大量的交滑移。當位錯在界面上相遇時相互反應形成位錯網。隨著位錯網充滿基體，位錯以位錯對的形式切割相，使其蠕變抗力降低。同時，蠕變變形過程中會產生微孔洞和微裂紋等損傷缺陷，引起蠕變損傷，微孔洞的萌生和增長、微裂紋的融合和擴展使蠕變損傷不斷累積，蠕變率迅速上升直至發生斷裂。

在1000℃以上的高溫下，蠕變曲線初始變形很小，并在大部分時間內出現長平臺區，在蠕變末期迅速斷裂。初始立方狀的相隨蠕變進行逐漸變為橢球體，并相互連接形成筏狀結構。筏結構會將連續的通道隔斷，抑制垂直于筏化方向的位錯攀移。位錯被限制在基體內形成位錯網，并受到位錯網阻礙使蠕變率下降。由于高溫筏化速率很快，位錯網在蠕變初期已經形成，宏觀蠕變變形很小，蠕變曲線出現較長的平臺區。隨著蠕變變形的進行，相在高溫下發生劣化，位錯以位錯對的形式切割相，并與鑄造微孔和TCP相的蠕變損傷累積，在斷面附近產生高度的局部變形，蠕變率迅速升高。

四、鎳基單晶合金的本構模型研究

鎳基單晶合金在航空發動機的廣泛應用使其蠕變性能的研究一直是高溫合金的研究熱點問題。在深刻認識材料蠕變變形物理本質的基礎上，提取合適的微觀變量建立本構模型，對材料的宏觀力學行為、進而對葉片的強度和壽命進行預測和分析，具有重要的理論意義和工程價值。

晶體塑性理論從位錯滑移的物理本質出發，將材料的宏觀塑性變形分解為不同滑移系上的位錯滑移過程，在微觀上建立各個滑移系上的運動方程以模擬材料的變形行為。晶體塑性模型是目前單晶蠕變研究廣泛采用的方法，其關鍵在于如何建立滑移系上反映變形機理的運動方程、硬化準則和損傷演化律。在Huchison和Rice等人晶體塑性理論的基本框架和經典冪律模型基礎上，MacLachlan提出了基于應變率的蠕變損傷率，探討了六面體的開動，對單晶合金不同溫度、應力以及晶體取向下的蠕變行為進行了模擬。Vladimirov基于Cailletaud模型，以位錯密度為表征參量的硬化準則，提出了滑移系上定義的損傷演化律。Reed等細致分析了位錯滑移、攀移和切割的作用機理，建立了位錯不同運動模式的方程，引入到晶體塑性模型中很好地預測了1000℃以下材料的蠕變行為。Bai等人從描述滑移剪切率與位錯密度關系的Orowan方程出發，提出了考慮滑移系上位錯演化及位錯相互作用機理的本構方程。Cormier等提出了相的體積分數演化式及其對基體通道的影響，研究了超高溫引起的相溶解對蠕變行為的作用。

鎳基單晶合金晶界的消除使其力學行為和溫度、載荷以及取向密切聯系，增加了建立本構模型的困難。單晶合金的蠕變變形機制主要為位錯運動，并受到沉淀相含量、尺寸、形態、鑄造微孔、夾雜、微裂紋等微觀結構的影響，產生繞過、攀移、切割等不同的運動模式。因此，基于對蠕變過程中微結構演化的認識，建立與物理本質相適應的運動法則和本構模型，以應用于單晶葉片的宏觀力學模擬和結構設計中，是一個具有重要理論意義和工程價值的科學問題，也是當今學界不斷向前推進研究的方向。

五、結論

鎳基單晶合金被廣泛應用于航空發動機等先進推進系統的關鍵熱端部件中，對其高溫蠕變行為的研究直接關系到結構安全和使用性能。各國的研究者針對其成分設計、微觀組織和力學模擬做了大量的研究，取得了豐碩的成果。但是，對于更高抗溫能力的高溫合金的迫切需求要求進一步加強對單晶合金成分設計的研究，闡明微觀組織對宏觀性能的影響，并建立合適的模型對宏觀力學行為進行預測。

1.從成分上，Re和Ru等金屬的添加有效地提高了鎳基單晶合金的蠕變性能，然而Re和Ru強化蠕變性能的物理機制尚未完全清楚，同時由于Re和Ru增加了合金的成本和密度，而我國儲量并不豐富，需要進一步研究Re和Ru的作用機理以及替代元素的可能性。

2.從微觀機制上，鎳基單晶合金的蠕變行為和位錯運動、微結構演化密切相關，[001]方向單拉蠕變受到溫度、應力的綜合影響可分為三個影響區表現出不同的形態。而對于單晶合金的各向異性研究尚有欠缺，六面體滑移系的存在還存在爭議，需要進一步探討不同取向下的單晶蠕變機理。

3.本構模型是材料宏觀性能和葉片強度分析的基礎，晶體塑性模型能夠反映材料的變形本質，聯系宏觀變形和物理機理，是目前廣受重視的方法。但是，目前的模型還只能針對一種或幾種物理機制進行解釋，對較大溫度范圍的單晶蠕變行為缺乏預測能力，不能很好地預測渦輪葉片等結構的整體力學行為，還需要在多尺度、寬溫度范圍和宏觀結構分析等方面進一步研究。