隨著航空發動機推重比的不斷增大，渦輪進口溫度持續提高，對材料的承溫能力有著更高的要求。而隨著單晶高溫合金代次的發展，難熔元素的比例不斷增加，在組織中往往存在著嚴重的元素偏析，影響著合金結構件的力學性能。在傳統熱處理過程中，受限于難熔元素的低擴散系數與第二代鎳基單晶高溫合金低初熔溫度之間的矛盾，合金的熱處理窗口較窄，元素的偏析問題往往難以解決。因此，有必要開發更優性能的新型固溶工藝，通過建立熱處理制度、顯微組織與變形機制之間聯系，為高性能鎳基單晶高溫合金的研發制備提供理論指導。

近期，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室李金山教授團隊采用TEM和EPMA等表征手段，闡明了多種固溶工藝下典型二代單晶高溫合金CMSX-4的組織演變規律和蠕變變形行為。在此基礎上，提出了一種分步加熱和連續加熱相結合的新型固溶工藝，經固溶+時效處理后，合金持久性能得到大幅提高，顯著優于同代次的單晶高溫合金。通過變形組織表征和位錯分析，發現因元素分配行為的改變導致的更高比例的γ′相、更窄的基體通道和更密集的位錯網絡是持久性能提高的主要原因。相關成果以“New insights into the optimisation of the solution heat treatment process and properties of CMSX-4 superalloys”為題發表于期刊Materials Science & Engineering A上。論文第一作者為博士研究生宋岳林，通訊作者為樊江昆，通訊單位為西北工業大學。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145947

圖1 不同固溶熱處理工藝示意圖

圖1展示了文中所采用的不同固溶工藝，其中SHT1-5分別代表工業傳統熱處理、提高了峰值溫度和熱處理時間的比重熱處理、連續升溫熱處理、作者改進的新型連續升溫熱處理以及重熔熱處理，不同熱處理工藝下的組織特征如圖2所示。

圖2 不同熱處理工藝下γ′析出物和主要缺陷的形態

熱處理后的組織主要由γ基體和立方γ′相強化相組成，γ′相在枝晶干和枝晶間存在著較大尺寸差異，導致變形的不均勻性。當提高了峰值溫度后，還存在著細小二次γ′相的析出和初熔組織。連續升溫下組織顯著惡化，而對于作者改進的連續升溫工藝和重熔熱處理，γ′相尺寸差更小，立方度更高，且無初熔組織出現。

圖3不同熱處理工藝下的元素偏析

對比傳統階梯式升溫，作者發現連續升溫具有更高的元素均勻化效率，以Re、W等難熔元素偏析的改善最為明顯。難熔元素擴散效率增加有效避免了低熔點區的液相形核，從而降低合金的初熔傾向。另一方面，γ′相形成元素的均勻化使得γ′尺寸更小，分布更均勻。

圖4不同熱處理工藝下的微孔特征

從微孔的統計可以看出，高溫導致了孔隙率的大大增加。對于重熔熱處理而言，其孔隙率是其他固溶制度的2-3倍。盡管該工藝的偏析更低，但高密度的微孔導致嚴重的應力集中，反而惡化了合金的性能。

圖5不同熱處理工藝下的蠕變曲線

對比不同工藝下的持久性能可以發現，重熔熱處理后材料的性能并沒有提高，而新型連續升溫工藝下材料的持久性能大大提高，主要表現為穩態蠕變階段的顯著延長和整體最低的蠕變速率。

圖6傳統工藝與新型連續升溫工藝的變形組織和位錯組態

作者對不同熱處理后樣品的蠕變斷裂組織進行表征，發現盡管經歷了更長的變形時間，新型工藝仍保留有更多的γ′相。高比例的強化相是維持其整體較低蠕變速率的主要原因。另一方面，更窄的基體通道也會增加位錯繞過的奧羅萬抗力。從位錯組態來看，新型工藝的基體通道中形成了更密集的位錯網。這會有效阻礙位錯運動，延緩位錯切割γ′相的進程，從而延長了合金的穩態蠕變階段。

此外，作者通過EPMA對γ基體和γ′相間的元素分配行為進行了表征，發現經優化的熱處理后，基體通道中γ′相形成元素減少，抑制了次生γ′相的析出，從而有更多的γ′相形成元素形成更高比例的強化相。另一方面，通過計算可知元素分配關系的改變也會使合金錯配度增加，因錯配帶來的晶格畸變能的影響大于界面能的影響，從而提高了γ′相的立方度。同時，在蠕變過程中，晶格失配增加需要更多的位錯以緩解兩相間的失配應力，位錯網間距變窄，最終增加了合金的蠕變抗力。

作者介紹：

李金山，西北工業大學材料學院教授，博導，國家萬人計劃領軍人才，國務院政府特殊津貼專家，凝固技術國家重點實驗室主任。主要從事航空航天先進金屬結構材料及其精確成形技術研究，近年來承擔國家重點研發計劃、民機科研專項、國家自然科學基金重點等多項國家級科研項目。擔任中國材料研究學會凝固科學與技術分會理事長、中國機械工程學會鑄造分會副理事長等。研究成果獲國家級教學成果獎一等獎1項，陜西省科技獎一等獎3項，國防科技一等獎1項。

樊江昆，西北工業大學材料學院特任研究員，博導。主要從事鈦合金及高溫合金等先進金屬結構材料組織精確調控及服役性能研究。擔任先進金屬材料精確熱成型技術國家地方聯合工程研究中心副主任、中國有色金屬學會理化檢驗學術委員會委員等。主持國家自然科學基金項目（3項）、民機專項專題、兩機專項專題等科研項目。入選陜西省“特支計劃”青年拔尖人才和西北工業大學“翱翔新星”。獲國防科技進步一等獎、陜西省高等學校科學技術一等獎各1項。