鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)異的高溫蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等綜合性能，被廣泛地用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片材料。葉片在服役過(guò)程中主要承受〈001〉軸向的離心載荷，由離心應(yīng)力導(dǎo)致的蠕變損傷是葉片的主要失效機(jī)制之一。因此，深入研究鎳基單晶高溫合金蠕變變形及損傷行為顯得十分重要。

《鎳基單晶高溫合金蠕變機(jī)制研究進(jìn)展》一文基于單晶葉片的典型服役條件，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于高溫低應(yīng)力和中溫高應(yīng)力蠕變變形損傷機(jī)制的研究現(xiàn)狀，指出深入開(kāi)展含典型缺陷單晶高溫合金蠕變行為、氧化和熱腐蝕對(duì)單晶合金蠕變-疲勞變形損傷機(jī)制影響研究十分必要。

與一架飛機(jī)龐大的機(jī)身相比，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的渦輪葉片就是一個(gè)“小零件”。但這個(gè)小零件可不簡(jiǎn)單，里面蘊(yùn)含著很多高科技元素。尤其是隨著日新月異的科技發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪葉片材料承溫能力的要求越來(lái)越高。而鎳基單晶高溫合金，就是打造渦輪葉片的最佳材料之一。

與鐵基和鈷基合金相比，鎳基高溫合金具有更好地高溫性能，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，已成為當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的重要結(jié)構(gòu)材料。可以說(shuō)，鎳基高溫合金的發(fā)展決定了航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，也決定了航空工業(yè)的發(fā)展。

然而，雖然性能優(yōu)良，但由鎳基單晶高溫合金制成的葉片，在服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生由離心應(yīng)力引發(fā)的蠕變變形，與疲勞疊加在一起，進(jìn)而導(dǎo)致葉片發(fā)生斷裂或變長(zhǎng)，使葉片最終失效。

因此，針對(duì)鎳基單晶高溫合金蠕變變形及損傷行為的研究，成為當(dāng)前材料工作者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。張思倩等人在《科技導(dǎo)報(bào)》第2期上詳細(xì)論述了鎳基單晶高溫合金蠕變機(jī)制研究進(jìn)展，尤其是對(duì)中溫高應(yīng)力蠕變機(jī)制提出了頗為獨(dú)到的見(jiàn)解。

不容忽視的 中溫高應(yīng)力蠕變研究

根據(jù)單晶葉片服役條件下的溫度和應(yīng)力分布情況，材料所受的蠕變大致可以分為兩類：高溫低應(yīng)力蠕變和中溫高應(yīng)力蠕變。以往，研究者對(duì)這兩類蠕變的關(guān)注度并不一樣，由于近30年鎳基單晶高溫合金耐溫能力的不斷提高，因此大量研究成果集中在高溫區(qū)域，對(duì)中溫區(qū)域的研究相對(duì)不多。

但隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)，渦輪葉片的葉根以及氣冷通道內(nèi)壁工作溫度主要集中在650~850℃。一般來(lái)說(shuō)，在此溫度區(qū)間離心應(yīng)力很難導(dǎo)致葉片產(chǎn)生明顯的蠕變變形，但由于葉片存在幾何效應(yīng)，在局部區(qū)域可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使葉片發(fā)生明顯的中溫高應(yīng)力蠕變變形，這往往被國(guó)內(nèi)外研究者所忽視。

所以，近些年僅有少量關(guān)于中溫蠕變變形機(jī)制的文獻(xiàn)報(bào)道，且這些研究主要集中在二代單晶高溫合金 CMSX-4 中。

作者對(duì)此認(rèn)為，學(xué)界對(duì)于兩類蠕變的關(guān)注度不同，與葉片技術(shù)的更新?lián)Q代也有關(guān)系。以前，葉片都是實(shí)心的，溫度越高越容易損傷，因此研究者多關(guān)注高溫區(qū)域的蠕變變形。但現(xiàn)在，隨著空心葉片使用增多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，有可能因內(nèi)腔局部應(yīng)力增大，進(jìn)而發(fā)生中溫高應(yīng)力蠕變損傷。因此，對(duì)中溫高應(yīng)力蠕變損傷的研究已越來(lái)越引起研究者的重視。

中溫高應(yīng)力蠕變 變形的特點(diǎn)

與高溫低應(yīng)力蠕變變形相比，中溫高應(yīng)力蠕變變形有何特點(diǎn)呢？

孕育期

同高溫低應(yīng)力蠕變變形類似，合金變形也是起始于γ基體相內(nèi)，不同的是變形初期一般經(jīng)歷一個(gè)短暫的孕育期。a/2〈110〉{111}位錯(cuò)滑移至γ/γ′界面，由于不能像高溫那樣通過(guò)攀移或交滑移越過(guò)γ′相，所以位錯(cuò)被限制在γ基體通道內(nèi)。

位錯(cuò)反應(yīng)

諸多研究均認(rèn)為，在應(yīng)力的驅(qū)使下，不同方向的a/2〈110〉{111}位錯(cuò)在界面處發(fā)生反應(yīng)。蠕變第一階段主要通過(guò)柏氏矢量為a〈112〉位錯(cuò)帶運(yùn)動(dòng)變形，由于位錯(cuò)帶的柏氏矢量大，當(dāng)位錯(cuò)帶掃過(guò)γ/γ′后，將產(chǎn)生明顯的應(yīng)變積累，即應(yīng)變變形較大。

堆跺層錯(cuò)

一般來(lái)說(shuō)，a/3〈112〉不全位錯(cuò)可以切入γ′相并留下內(nèi)稟堆跺層錯(cuò)（SISF）或外稟堆跺層錯(cuò)（SESF），而a/6〈112〉不全位錯(cuò)留在γ/γ′界面處，從而導(dǎo)致非均勻變形。伴隨著a〈112〉位錯(cuò)帶運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)陣不斷旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致a〈110〉{111}滑移系重新開(kāi)動(dòng)，變形進(jìn)入蠕變第二階段。蠕變第二、三階段變形主要受控于a〈110〉{111}滑移系。

中溫高應(yīng)力蠕變變形 研究的爭(zhēng)議點(diǎn)

但是，就國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)中溫高應(yīng)力蠕變變形的研究成果，需要指出的是： 

01 a〈112〉位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)的形成機(jī)制存在很多爭(zhēng)議之處。

Link等認(rèn)為a/2〈110〉位錯(cuò)在界面處不一定發(fā)生反應(yīng)形成a〈112〉位錯(cuò)帶，而可能發(fā)生分解反應(yīng)。Rae、Ma、Kakehi 等都認(rèn)為當(dāng)外加應(yīng)力比較小或者γ′間距比較大時(shí)，不同方向的a/2〈110〉位錯(cuò)將在界面處形成位錯(cuò)網(wǎng)，從而抑制a〈112〉位錯(cuò)的形成；如果外加應(yīng)力足夠大時(shí)，a/2〈110〉位錯(cuò)在界面處可以不發(fā)生反應(yīng)或分解，而直接進(jìn)入γ′相形成反相疇界（APB），APB然后通過(guò)不全位錯(cuò)環(huán)的形核與長(zhǎng)大而形成SISF或SESF。作者近期研究發(fā)現(xiàn)，幾種不同的蠕變機(jī)制可能與蠕變應(yīng)力相關(guān)，隨應(yīng)力提高，a/2〈110〉位錯(cuò)分解機(jī)制逐漸占主導(dǎo)地位。 

02 單晶高溫合金對(duì)堆垛層錯(cuò)少有報(bào)道。

關(guān)于蠕變過(guò)程中a/6〈112〉不全位錯(cuò)剪切γ′相產(chǎn)生復(fù)雜堆垛層錯(cuò)（CSF）的報(bào)道主要集中在多晶高溫合金中，目前單晶高溫合金中很少有類似報(bào)道。

03 對(duì)〈001〉取向偏離一定角度的單晶高溫合金蠕變變形及損傷機(jī)制缺乏深入了解。

〈001〉取向的鎳基單晶高溫合金蠕變性能對(duì)其取向偏離度非常敏感，隨著偏離〈001〉取向增大，合金的蠕變性能急劇下降，但缺乏對(duì)〈001〉取向偏離一定角度的單晶高溫合金的蠕變變形及損傷機(jī)制的深入了解。 

04 單晶合金形成層錯(cuò)鎖將提高中溫蠕變性能。

目前幾乎所有研究者都認(rèn)為造成鎳基單晶高溫合金中溫蠕變性能降低的主要原因是a〈112〉{111}滑移系的開(kāi)動(dòng)并在γ′相內(nèi)產(chǎn)生SISF或SESF，導(dǎo)致點(diǎn)陣發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)。但是，如果單晶合金能夠在外力作用下形成層錯(cuò)鎖，那么合金的中溫蠕變性能不僅不會(huì)降低，反而會(huì)明顯提高。 

05 不同合金的中溫蠕變性能相差很大。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型鎳基單晶高溫合金的中溫蠕變性能發(fā)現(xiàn)，不同合金的中溫蠕變性能相差很大，且不像高溫蠕變性能那樣隨著（W+Mo+Ta+Re）難熔元素含量的增加而提高。另外，部分高代次鎳基單晶高溫合金的蠕變變形量還明顯增大。

研究建議 結(jié)合缺陷研究蠕變變形

鎳基單晶高溫合金蠕變變形主要受控于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，蠕變強(qiáng)度取決于位錯(cuò)越過(guò)γ′相的難易程度。高溫蠕變變形的主要特征是γ/γ′界面位錯(cuò)網(wǎng)和γ′筏狀組織的形成，最明顯的特征是不同堆跺層錯(cuò)的形成。

作者認(rèn)為，目前絕大多數(shù)單晶合金蠕變變形機(jī)制的研究都是針對(duì)近理想無(wú)缺陷的單晶合金材料。然而，實(shí)際上由于受葉片幾何尺寸、合金成分、凝固工藝等因素影響，單晶葉片在定向凝固及隨后的熱處理過(guò)程中容易出現(xiàn)小角度晶界、條紋晶、雜晶、疏松、雀斑及再結(jié)晶等缺陷。單晶葉片在服役過(guò)程中，上述缺陷作為薄弱環(huán)節(jié)易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致葉片提前失效或斷裂。因此，亟需開(kāi)展含缺陷單晶合金蠕變變形機(jī)制的研究。

同時(shí)，單晶高溫合金在服役過(guò)程中除了承受蠕變損傷外，還存在明顯的疲勞和氧化、熱腐蝕損傷。

為此，深入開(kāi)展含典型缺陷單晶高溫合金蠕變行為以及氧化和熱腐蝕對(duì)單晶合金蠕變-疲勞變形和損傷機(jī)制的影響研究，就顯得非常必要。