镍基高温合金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γ基体相和γ′相组成，γ′相是热处理后析出的一种沉淀强化相Ni3(Al,Ti)，由易在界面区位错周围富集的铝原子与基体中的镍和钛原子结合形成。经过多年的研究，γ′相的强化机制逐渐被人们所认识，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。目前，研究人员主要通过改变热处理工艺来获得不同尺寸和含量的γ′相，从而调控镍基高温合金的强度以及疲劳与蠕变性能。
1、γ′相的强化机制
1、γ′相与合金强度
γ′相是镍基高温合金的主要强化相，其尺寸和含量是影响镍基高温合金力学性能的重要因素。
WANG等利用不同热处理方式获得了γ′相体积分数分别为10%和3%以及不含γ′相的Nimonic 263合金试样，发现试样的强度随着γ′相体积分数的增加而增大。
JOSEPH等研究了γ′相尺寸分别为43和100 nm的Haynes 282合金在常温下的拉伸性能，结果表明含粗大γ′相试样的屈服强度远远低于含细小γ′相试样。
GAYDA等制备了γ′相体积分数分别为44%，34%和尺寸分别为250和30 nm的Astroloy合金试样，发现合金试样的屈服强度随着γ′相尺寸的减小或γ′相体积分数的增加而提高。PANG等和刘健等对U720Li合金的研究也证实了这一观点。
可以看出γ′相尺寸的减小和γ′相含量的增加可以有效提高镍基高温合金的屈服强度。
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γ′相对位错运动的阻碍作用强化了合金的强度。
XIAO等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γ′相数量的减少，位错与γ′相的相互作用程度降低，导致合金的屈服强度下降。
HU等研究发现，固溶时效处理的GH4099高温合金中含有较高含量的γ′相，增加了γ基体中位错滑移的阻力，因此具有优异的拉伸性能。
DEL VALLE等通过对Inconel X-750高温合金的时效硬化行为进行分析，建立了γ′相与位错相互作用的关系模型。
γ′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。γ′相具有LI2长程有序结构，当位错剪切有序的γ′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。位错对γ′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。
KOZAR等在对IN100镍基高温合金中位错与γ′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两种。当γ′相尺寸较小时，位错对可能不存在于单个γ′相中，此时的剪切机制为弱耦合位错模型；当γ′相尺寸较大时，位错对可同时存在于单个γ′相中，剪切机制为强耦合位错模型。由两种模型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γ′相尺寸的关系图；随着γ′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γ′相尺寸为临界γ′相尺寸，此时γ′相的强化作用最强。
当位错在γ′相之间弯曲所需的应力小于位错穿过γ′相所需的应力时，就会发生Orowan绕过机制。位错绕过γ′相时，在γ′相周围形成位错环，位错环的存在减小了γ′相的间距，增大了后续位错绕过γ′相的阻力，从而强化了合金。位错绕过γ′相所需的临界剪切应力与合金的剪切模量、γ′相的尺寸和间距等有关。随着γ′相尺寸的增大，绕过γ′相所需的剪切应力逐渐减小，当小于位错穿过γ′相所需的应力时，就会发生Orowan绕过机制。
DEL VALLE等研究发现，在Inconel X-750镍基高温合金中，存在一个临界γ′相尺寸（40 nm），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等观察到不同热处理的Haynes 282合金表现出混合变形模式，当γ′相尺寸为39 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γ′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γ′相尺寸的增加，位错与γ′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γ′相对镍基高温合金的强化效果最好。随着γ′相尺寸的进一步增大，γ′相对位错的阻碍作用减小，当位错绕过γ′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，γ′相对镍基高温合金的强化效果减弱。
2、γ′相对疲劳性能的影响
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。
γ′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γ′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γ′相被位错对剪切后，就会成为组织中的“脆弱”通道，后续产生的位错也倾向于由此经过，这是γ′相促进镍基高温合金平面滑移的主要机制。
在平面滑移条件下，位错可以在受限的情况下在相对较少的滑移带内来回移动，从而提供更大的滑移可逆性，进而降低疲劳损伤积累程度，增强镍基高温合金的裂纹扩展抗力。
2、尺寸的影响
γ′相的尺寸控制着γ′相与位错的相互作用机制，通过影响强度进而对镍基高温合金的疲劳裂纹扩展性能产生影响。较小尺寸的γ′相对镍基高温合金的强化效果较好，在提升强度的同时也提高了镍基高温合金的抗疲劳性能。
GAYDA等通过Astroloy合金的拉伸和疲劳裂纹扩展试验，提出了引入屈服强度的裂纹扩展速率模型。BUCKSON等在研究不同温度下Haynes 282合金的疲劳裂纹扩展行为时，也建立了屈服强度与疲劳裂纹扩展速率间的关系。
γ′相尺寸是影响疲劳裂纹扩展的主要因素。KIM等对比了γ′相尺寸分别为73.2和161.4 nm的RR1000合金在650 ℃下的疲劳裂纹扩展速率，发现在同一应力水平下，γ′相尺寸较大合金的疲劳裂纹扩展速率高于γ′相尺寸较小合金。
DING等研究了DZ445镍基高温合金的高温（900 ℃）疲劳性能，发现随着保载时间延长（0~5 min），γ′相发生粗化，强化机制由剪切机制变为Orowan绕过机制，合金的疲劳性能降低。
WANG等研究发现，在700和750 ℃下时效时，随着时效时间延长，GH4586合金的疲劳裂纹扩展速率升高，并且裂纹扩展路径也逐渐变得平直，这是因为γ′相随时效时间延长发生了粗化，影响了裂纹尖端滑移特性的改变。
裂纹扩展路径受显微组织特征的影响很大，其曲折程度体现了材料显微组织抵抗裂纹扩展的能力。佴启亮等研究了GH4720Li合金的疲劳裂纹扩展行为，结果表明当裂纹遇到γ′相时会发生偏折，产生较为曲折的裂纹扩展路径。
LIAW等认为，可以用裂纹闭合效应解释裂纹扩展路径对疲劳裂纹扩展性能的影响。曲折的裂纹扩展路径会产生较为粗糙的疲劳断口，粗糙的断口表面增强了裂纹面之间的接触程度，从而促进了裂纹闭合，降低了裂纹尖端的驱动力。细小的γ′相促进了平面滑移的产生，有助于形成曲折的裂纹扩展路径，增加粗糙断口表面诱导的裂纹闭合程度，提升合金疲劳裂纹扩展抗力。
3、γ′相对蠕变性能的影响
1、位错网络的影响
位错网络是镍基高温合金在高温下蠕变的重要特征之一。在外应力作用下，位错在γ′相通道中快速启动和滑动，并逐渐在γ/γ′界面积累，不同方向位错之间发生节点反应和局域重排，从而形成位错网络。位错网络的规则与密集程度受γ′相分布的影响。
WANG等对镍基单晶合金进行了蠕变试验，发现在蠕变过程中位错在γ′相周围被激活并开始滑动和增殖，形成的较为规则的位错网络为位错提供了更大的阻力效应，使得合金的蠕变速率降低；γ′相随着蠕变时间的延长逐渐粗化，位错网络由规则均匀分布演变为缠结非均匀分布，大量位错切入γ′相，导致γ′相失去对位错的阻力，蠕变速率增加。高温下γ′相的粗化使位错网络的规则程度与密集程度降低，导致蠕变性能降低。
ZHANG等在TMS-75镍基高温合金成分的基础上添加钼元素，从而提高了组织中γ′相的含量，得到了新型镍基高温合金TMS-162，该合金在初始1%应变下的蠕变时间约为TMS-75镍基高温合金蠕变时间的6倍；通过微观分析发现，最小蠕变速率与位错间距近似成线性关系，当位错间距由27 nm增长至55 nm时，合金的最小蠕变速率由10-9 s-1增至10-8 s-1，这表明界面位错网络越细，抑制滑移位错越有效。可见镍基高温合金的蠕变性能取决于γ′相所影响的界面位错网络的规则与密集程度。
镍基高温合金在高温拉伸或蠕变过程中，作用在位错上的应力不足以使位错切过或以Orowan机制绕过γ′相时，位错会在热激活作用下以攀移机制通过γ′相。
WANG等研究了镍基单晶合金蠕变后的位错结构，发现随着蠕变时间延长，γ′相逐渐粗化，使得γ/γ′界面产生的位错分布不均匀，降低了阻碍位错攀移的能力，同时建立了合金蠕变速率与可移动位错密度间的关系。
2、含量的影响
γ′相含量被众多研究人员认为是控制镍基高温合金蠕变性能的一个重要因素。ABE通过Thermo-Calc软件估算了740和617镍基高温合金中的γ′相含量，结果表明740合金中的γ′相含量是617合金中的3倍，这使得740合金的蠕变强度远远高于617合金。
TORSTER等研究了不同冷却速率下U720Li镍基高温合金在760 ℃/370 MPa下的蠕变性能，发现具有较高含量γ′相的合金试样具有更好的蠕变性能。
BHOWAL等认为，γ′相含量主要通过影响γ′相的间距λ来引起蠕变性能的改变，随着γ′相含量增加，γ′相间距减小，因此RENE 95合金的蠕变性能提高。这与POLLOCK等认为较高含量γ′相通过提高Orowan门槛应力增强材料蠕变性能的结论一致。
DYSON等认为，提高γ′相含量可以使镍基高温合金的背应力增加，从而改变合金的蠕变强度。基于此，ORUGANTI等提出了镍基高温合金的γ′相与其蠕变行为之间的微观结构模型。
MURAKUMO等对具有不同含量γ′相的TMS-75镍基高温合金进行了高温蠕变试验，发现当γ′相体积分数在60%~75%时，合金的蠕变寿命达到峰值，当γ′相体积分数超过75%时，蠕变寿命随γ′相体积分数的增大而降低。
LUO等观察了γ′相含量较高合金的微观结构，认为在蠕变过程中过多的γ′相会以不规则排列的方式形成藤条形γ′相，藤条形γ′相会破坏原有组织的完整性，从而降低合金的蠕变性能。因此，适量的γ′相对镍基高温合金的蠕变性能至关重要。
3、尺寸的影响
γ′相尺寸通过影响蠕变过程中位错网格的规则与密集程度来影响镍基高温合金的蠕变速率，从而导致蠕变性能的改变。
PENG等对经不同时效热处理的FGH96镍基高温合金进行蠕变性能测试，结果表明随着γ′相尺寸的减小，合金的蠕变性能得到显著的提高。
MAZUR等观察到燃气涡轮叶片前端的γ′相平均粒径比叶片根部提高了33%~89%，这使得叶片前端的蠕变寿命远远低于叶片根部。
NATHAL等研究发现，γ′相尺寸存在最佳值，在最佳尺寸下，镍基高温合金获得最优异的蠕变性能，当超过这一最佳尺寸时，蠕变性能随γ′相尺寸的增大而降低。
FENG等在研究淬火冷却速率对FGH96镍基高温合金蠕变性能的影响时，也证实了上述结论，并建立了γ′相尺寸与蠕变速率之间的关系，证明蠕变速率与γ′相尺寸呈抛物线关系。
基于以上研究，PENG等构建了相关蠕变物理模型。剪切应力随γ′相尺寸的增大呈现出先增大后减小的趋势；而剪切应力越大，蠕变速率越低，蠕变性能越好：因此，γ′相尺寸同样对镍基高温合金的蠕变性能至关重要。
3、结束语
γ′相是镍基高温合金中重要的强化相，是研究镍基高温合金疲劳和蠕变性能的重要研究内容。目前，合金元素、热处理工艺等对镍基高温合金中γ′相析出的影响，以及γ′相对合金强度、疲劳与蠕变性能的影响机理等已形成较为成熟的体系，且γ′相的三维相场等数值模拟技术也已能应用于工程实践中。这些研究成果对高性能镍基高温合金的开发具有重要参考价值。
然而，是否存在特定范围的γ′相尺寸与体积分数，进而得到性能更优的镍基高温合金材料，尚未有学者做出系统性研究。因此，将扫描电镜、透射电镜、数字图像相关法等分析表征技术与基于γ′相的三维相场等数值模拟技术结合起来，建立γ′相的演变与强度、疲劳及蠕变性能的系统性研究理论，获取给定工艺条件下镍基高温合金强度、疲劳和蠕变性能的演变规律，通过优化与调控镍基高温合金中γ′相的尺寸与含量，实现合金综合性能的协同提升，是未来研究新型镍基高温合金的关键。
来源：《机械工程材料》2023年6期
作者：朱金群1，安春香2，陆翌昕2，朱明亮1，轩福贞1
工作单位：1.华东理工大学机械与动力工程学院
2.上海电气电站设备有限公司
第一作者：朱金群，硕士研究生
通信作者（导师）：朱明亮 教授
