鎳基單晶高溫合金具有優異的高溫蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等綜合性能，被廣泛地用作航空發動機和工業燃氣輪機的渦輪葉片材料。葉片在服役過程中主要承受〈001〉軸向的離心載荷，由離心應力導致的蠕變損傷是葉片的主要失效機制之一。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制研究進展》一文基于單晶葉片的典型服役條件，總結了國內外關于高溫低應力和中溫高應力蠕變變形損傷機制的研究現狀，指出深入開展含典型缺陷單晶高溫合金蠕變行為、氧化和熱腐蝕對單晶合金蠕變-疲勞變形損傷機制影響研究十分必要。

與一架飛機龐大的機身相比，安裝在發動機內的渦輪葉片就是一個“小零件”。但這個小零件可不簡單，里面蘊含著很多高科技元素。尤其是隨著日新月異的科技發展，航空發動機對渦輪葉片材料承溫能力的要求越來越高。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，已成為當代航空發動機熱端部件不可替代的重要結構材料。可以說，鎳基高溫合金的發展決定了航空渦輪發動機的發展，也決定了航空工業的發展。

然而，雖然性能優良，但由鎳基單晶高溫合金制成的葉片，在服役過程中會發生由離心應力引發的蠕變變形，與疲勞疊加在一起，進而導致葉片發生斷裂或變長，使葉片最終失效。

因此，針對鎳基單晶高溫合金蠕變變形及損傷行為的研究，成為當前材料工作者研究的熱點領域。張思倩等人在《科技導報》第2期上詳細論述了鎳基單晶高溫合金蠕變機制研究進展，尤其是對中溫高應力蠕變機制提出了頗為獨到的見解。

不容忽視的 中溫高應力蠕變研究

根據單晶葉片服役條件下的溫度和應力分布情況，材料所受的蠕變大致可以分為兩類：高溫低應力蠕變和中溫高應力蠕變。以往，研究者對這兩類蠕變的關注度并不一樣，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域，對中溫區域的研究相對不多。

但隨著研究的深入，研究者發現，渦輪葉片的葉根以及氣冷通道內壁工作溫度主要集中在650~850℃。一般來說，在此溫度區間離心應力很難導致葉片產生明顯的蠕變變形，但由于葉片存在幾何效應，在局部區域可能產生應力集中，致使葉片發生明顯的中溫高應力蠕變變形，這往往被國內外研究者所忽視。

所以，近些年僅有少量關于中溫蠕變變形機制的文獻報道，且這些研究主要集中在二代單晶高溫合金 CMSX-4 中。

作者對此認為，學界對于兩類蠕變的關注度不同，與葉片技術的更新換代也有關系。以前，葉片都是實心的，溫度越高越容易損傷，因此研究者多關注高溫區域的蠕變變形。但現在，隨著空心葉片使用增多，其內部結構更加復雜，有可能因內腔局部應力增大，進而發生中溫高應力蠕變損傷。因此，對中溫高應力蠕變損傷的研究已越來越引起研究者的重視。

中溫高應力蠕變 變形的特點

與高溫低應力蠕變變形相比，中溫高應力蠕變變形有何特點呢？

孕育期

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

位錯反應

諸多研究均認為，在應力的驅使下，不同方向的a/2〈110〉{111}位錯在界面處發生反應。蠕變第一階段主要通過柏氏矢量為a〈112〉位錯帶運動變形，由于位錯帶的柏氏矢量大，當位錯帶掃過γ/γ′后，將產生明顯的應變積累，即應變變形較大。

堆跺層錯

一般來說，a/3〈112〉不全位錯可以切入γ′相并留下內稟堆跺層錯（SISF）或外稟堆跺層錯（SESF），而a/6〈112〉不全位錯留在γ/γ′界面處，從而導致非均勻變形。伴隨著a〈112〉位錯帶運動，點陣不斷旋轉導致a〈110〉{111}滑移系重新開動，變形進入蠕變第二階段。蠕變第二、三階段變形主要受控于a〈110〉{111}滑移系。

中溫高應力蠕變變形 研究的爭議點

但是，就國內外學者對中溫高應力蠕變變形的研究成果，需要指出的是： 

01 a〈112〉位錯、堆垛層錯的形成機制存在很多爭議之處。

Link等認為a/2〈110〉位錯在界面處不一定發生反應形成a〈112〉位錯帶，而可能發生分解反應。Rae、Ma、Kakehi 等都認為當外加應力比較小或者γ′間距比較大時，不同方向的a/2〈110〉位錯將在界面處形成位錯網，從而抑制a〈112〉位錯的形成；如果外加應力足夠大時，a/2〈110〉位錯在界面處可以不發生反應或分解，而直接進入γ′相形成反相疇界（APB），APB然后通過不全位錯環的形核與長大而形成SISF或SESF。作者近期研究發現，幾種不同的蠕變機制可能與蠕變應力相關，隨應力提高，a/2〈110〉位錯分解機制逐漸占主導地位。 

02 單晶高溫合金對堆垛層錯少有報道。

關于蠕變過程中a/6〈112〉不全位錯剪切γ′相產生復雜堆垛層錯（CSF）的報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道。

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

〈001〉取向的鎳基單晶高溫合金蠕變性能對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〈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制的深入了解。 

04 單晶合金形成層錯鎖將提高中溫蠕變性能。

目前幾乎所有研究者都認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}滑移系的開動并在γ′相內產生SISF或SESF，導致點陣發生明顯的旋轉。但是，如果單晶合金能夠在外力作用下形成層錯鎖，那么合金的中溫蠕變性能不僅不會降低，反而會明顯提高。 

05 不同合金的中溫蠕變性能相差很大。

通過對比國內外幾個典型鎳基單晶高溫合金的中溫蠕變性能發現，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運動，蠕變強度取決于位錯越過γ′相的難易程度。高溫蠕變變形的主要特征是γ/γ′界面位錯網和γ′筏狀組織的形成，最明顯的特征是不同堆跺層錯的形成。

作者認為，目前絕大多數單晶合金蠕變變形機制的研究都是針對近理想無缺陷的單晶合金材料。然而，實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程中容易出現小角度晶界、條紋晶、雜晶、疏松、雀斑及再結晶等缺陷。單晶葉片在服役過程中，上述缺陷作為薄弱環節易產生裂紋，導致葉片提前失效或斷裂。因此，亟需開展含缺陷單晶合金蠕變變形機制的研究。

同時，單晶高溫合金在服役過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單晶合金蠕變-疲勞變形和損傷機制的影響研究，就顯得非常必要。