来源：科技导报
与一架飞机庞大的机身相比，安装在发动机内的涡轮叶片就是一个“小零件”。但这个小零件可不简单，里面蕴含着很多高科技元素。尤其是随着日新月异的科技发展，航空发动机对涡轮叶片材料承温能力的要求越来越高。而镍基单晶高温合金，就是打造涡轮叶片的最佳材料之一。
与铁基和钴基合金相比，镍基高温合金具有更好地高温性能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，已成为当代航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。可以说，镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展，也决定了航空工业的发展。
然而，虽然性能优良，但由镍基单晶高温合金制成的叶片，在服役过程中会发生由离心应力引发的蠕变变形，与疲劳叠加在一起，进而导致叶片发生断裂或变长，使叶片最终失效。
因此，针对镍基单晶高温合金蠕变变形及损伤行为的研究，成为当前材料工作者研究的热点领域。张思倩等人在《科技导报》第2期上详细论述了镍基单晶高温合金蠕变机制研究进展，尤其是对中温高应力蠕变机制提出了颇为独到的见解。
不容忽视的中温高应力蠕变研究根据单晶叶片服役条件下的温度和应力分布情况，材料所受的蠕变大致可以分为两类：高温低应力蠕变和中温高应力蠕变。以往，研究者对这两类蠕变的关注度并不一样，由于近30年镍基单晶高温合金耐温能力的不断提高，因此大量研究成果集中在高温区域，对中温区域的研究相对不多。但随着研究的深入，研究者发现，涡轮叶片的叶根以及气冷通道内壁工作温度主要集中在650~850℃。一般来说，在此温度区间离心应力很难导致叶片产生明显的蠕变变形，但由于叶片存在几何效应，在局部区域可能产生应力集中，致使叶片发生明显的中温高应力蠕变变形，这往往被国内外研究者所忽视。
所以，近些年仅有少量关于中温蠕变变形机制的文献报道，且这些研究主要集中在二代单晶高温合金 CMSX-4 中。
作者对此认为，学界对于两类蠕变的关注度不同，与叶片技术的更新换代也有关系。以前，叶片都是实心的，温度越高越容易损伤，因此研究者多关注高温区域的蠕变变形。但现在，随着空心叶片使用增多，其内部结构更加复杂，有可能因内腔局部应力增大，进而发生中温高应力蠕变损伤。因此，对中温高应力蠕变损伤的研究已越来越引起研究者的重视。
中温高应力蠕变变形的特点与高温低应力蠕变变形相比，中温高应力蠕变变形有何特点呢？孕育期
同高温低应力蠕变变形类似，合金变形也是起始于γ基体相内，不同的是变形初期一般经历一个短暂的孕育期。a/2〈110〉{111}位错滑移至γ/γ′界面，由于不能像高温那样通过攀移或交滑移越过γ′相，所以位错被限制在γ基体通道内。位错反应
诸多研究均认为，在应力的驱使下，不同方向的a/2〈110〉{111}位错在界面处发生反应。蠕变第一阶段主要通过柏氏矢量为a〈112〉位错带运动变形，由于位错带的柏氏矢量大，当位错带扫过γ/γ′后，将产生明显的应变积累，即应变变形较大。
堆跺层错
一般来说，a/3〈112〉不全位错可以切入γ′相并留下内禀堆跺层错（SISF）或外禀堆跺层错（SESF），而a/6〈112〉不全位错留在γ/γ′界面处，从而导致非均匀变形。伴随着a〈112〉位错带运动，点阵不断旋转导致a〈110〉{111}滑移系重新开动，变形进入蠕变第二阶段。蠕变第二、三阶段变形主要受控于a〈110〉{111}滑移系。
中温高应力蠕变变形研究的争议点但是，就国内外学者对中温高应力蠕变变形的研究成果，需要指出的是： 01a〈112〉位错、堆垛层错的形成机制存在很多争议之处。
Link等认为a/2〈110〉位错在界面处不一定发生反应形成a〈112〉位错带，而可能发生分解反应。Rae、Ma、Kakehi 等都认为当外加应力比较小或者γ′间距比较大时，不同方向的a/2〈110〉位错将在界面处形成位错网，从而抑制a〈112〉位错的形成；如果外加应力足够大时，a/2〈110〉位错在界面处可以不发生反应或分解，而直接进入γ′相形成反相畴界（APB），APB然后通过不全位错环的形核与长大而形成SISF或SESF。作者近期研究发现，几种不同的蠕变机制可能与蠕变应力相关，随应力提高，a/2〈110〉位错分解机制逐渐占主导地位。 02单晶高温合金对堆垛层错少有报道。
关于蠕变过程中a/6〈112〉不全位错剪切γ′相产生复杂堆垛层错（CSF）的报道主要集中在多晶高温合金中，目前单晶高温合金中很少有类似报道。03对〈001〉取向偏离一定角度的单晶高温合金蠕变变形及损伤机制缺乏深入了解。
〈001〉取向的镍基单晶高温合金蠕变性能对其取向偏离度非常敏感，随着偏离〈001〉取向增大，合金的蠕变性能急剧下降，但缺乏对〈001〉取向偏离一定角度的单晶高温合金的蠕变变形及损伤机制的深入了解。 04单晶合金形成层错锁将提高中温蠕变性能。
目前几乎所有研究者都认为造成镍基单晶高温合金中温蠕变性能降低的主要原因是a〈112〉{111}滑移系的开动并在γ′相内产生SISF或SESF，导致点阵发生明显的旋转。但是，如果单晶合金能够在外力作用下形成层错锁，那么合金的中温蠕变性能不仅不会降低，反而会明显提高。 05不同合金的中温蠕变性能相差很大。
通过对比国内外几个典型镍基单晶高温合金的中温蠕变性能发现，不同合金的中温蠕变性能相差很大，且不像高温蠕变性能那样随着（W+Mo+Ta+Re）难熔元素含量的增加而提高。另外，部分高代次镍基单晶高温合金的蠕变变形量还明显增大。研究建议结合缺陷研究蠕变变形镍基单晶高温合金蠕变变形主要受控于位错运动，蠕变强度取决于位错越过γ′相的难易程度。高温蠕变变形的主要特征是γ/γ′界面位错网和γ′筏状组织的形成，最明显的特征是不同堆跺层错的形成。作者认为，目前绝大多数单晶合金蠕变变形机制的研究都是针对近理想无缺陷的单晶合金材料。然而，实际上由于受叶片几何尺寸、合金成分、凝固工艺等因素影响，单晶叶片在定向凝固及随后的热处理过程中容易出现小角度晶界、条纹晶、杂晶、疏松、雀斑及再结晶等缺陷。单晶叶片在服役过程中，上述缺陷作为薄弱环节易产生裂纹，导致叶片提前失效或断裂。因此，亟需开展含缺陷单晶合金蠕变变形机制的研究。同时，单晶高温合金在服役过程中除了承受蠕变损伤外，还存在明显的疲劳和氧化、热腐蚀损伤。为此，深入开展含典型缺陷单晶高温合金蠕变行为以及氧化和热腐蚀对单晶合金蠕变-疲劳变形和损伤机制的影响研究，就显得非常必要。全文详见《镍基单晶高温合金蠕变机制研究进展》，论文发表在《科技导报》2020年第2期。
作者简介：张思倩，沈阳工业大学材料科学与工程学院，副教授，研究方向为单晶高温合金蠕变和疲劳变形行为；王栋（通信作者），中国科学院金属研究所，研究员，研究方向为单晶高温合金设计及近服役损伤机制。
来源：STReview 科技导报
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