高溫合金是指用于承受高溫和機械載荷，并有效抵抗蠕變或腐蝕的金屬合金。這些高溫合金已經開發用于，諸如燃氣輪機和噴氣發動機的領域中，也就是說在發生極熱和機械負載的環境中。

圖1  燃氣輪機

因此，在航空航天應用中，所有高溫合金中約有75％用作磁盤，葉片和發動機葉片。其他典型的應用領域包括熱交換器，化學反應容器的組件，熱處理設備以及石油和天然氣鉆探產品。

高溫合金具有承受高溫變形的能力，延展性不夠，很難進行加工。為了獲得符合要求的高溫合金性能，這些材料通常包含鎳或鈷作為基體金屬，以及更高比例的各種難熔合金元素。

在鐵Fe基，鈷Co基和鎳Ni基在內的各種類型高溫合金中，利用兩相γ（面心立方，fcc）/γ'（L12）微結構，來增強的鎳Ni基高溫合金表現出最高的耐熱性能。

對于最高溫度的應用，它們被固化成單晶形式，并進行合金化以實現高體積分數的γ'析出物，γ和γ'相的良好固溶強化以及耐環境性。γ/γ'Ni基高溫合金在高溫下優異的強度可歸因于規則排列的呈立方形狀的相干γ'沉淀的高體積分數，可抑制γ通道中的位錯滑移。在最好的鎳基單晶高溫合金中，γ'相的體積分數約為70％。

在強化高溫合金中，使用L12有序析出物是最近才有的。大多數研究集中于低溫狀態（≤900°C）下的相變行為，γ'形貌和力學性能。

合金化元素，如鋁，鈦和銅，在各種熱處理條件下，對高溫合金中L12有序析出物穩定性也是有一定影響。已表明添加銅可促進L12有序沉淀物的異相成核和穩定。這些沉淀僅在930 °C以下穩定，并轉變為無序γ相。

鎳基高溫合金在環境和高溫下具有出色的強度，這歸因于該結構由無序fccγ-中的相干γ'-Ni3Al基相干析出物組成Ni-Al基體。對于鎳基高溫合金，合金化是提高γ'相固溶溫度并改善高溫性能的主要方法。

如圖2所示，利用Mo摻雜形成的高溫合金，呈現層級微觀結構，以提升強度-延展性協同作用。

圖2 高強度-延展性協同作用Mo摻雜合金層級微觀結構（Parsa, 2015）

在高熵γ基體中將這些析出物引入后，強度會倍增。但是，由于這些合金中L12有序析出物的微觀結構穩定性有限，包括塑性在內的力學性能在高溫下會降低。

因此，為了使合金適合高溫應用，需要進行化學成分設計以及對這些析出物在高溫（> 900 °C）下的長期穩定性和粗化動力學及其對力學性能的影響進行研究。

此外，在新興的金屬增材制造技術中，也用可以分析不同元素對高溫合金裂紋等缺陷的影響，如圖3所示。APT成像圖中包含MB和M2B型硼化物以及具有等濃度界面的粒間γ'顆粒，其中Ni（綠色）和B（橙色）為46 at.％。

圖3 含MB和M2B型硼化物以及具有等濃度界面的沿晶γ′粒子三維原子探針成像圖（Chauvet, 2018)

總之，析出物引起的強化主要來自兩方面的因素，（1）析出相抵抗位錯運動；（2）圍繞析出相形成位錯環。第一種機理用于析出相尺寸較小的情況，而第二種機理用于析出相尺寸較大的情形。

為了確定在室溫下的變形機理，在γ-CoNi的[001]方向附近的弱光束（g-3g）條件下獲取的一對明場和暗場圖像，如圖4顯示一對位錯析出。

此外，還觀察到基體內的位錯活動，而沒有觀察到位錯在析出相附近通過。

因此，可以合理地假設析出物剪切是室溫變形過程中的普遍變形機制，析出相剪切是影響室溫強度的主要強化機制。

圖 4 高溫合金γ/γ'相強化機制 (Pandey, 2019)