镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展
摘 要： 镍基单晶合金是目前航空发动机涡轮叶片的主要制造材料，其蠕变性能是关系到发动机使用安全和服役寿命的重要因素。本文从成分组成、蠕变机制、本构模型等方面论述了近年来镍基单晶合金研究的新进展，特别着重于阐明镍基单晶合金蠕变行为与微结构演化之间的联系，论述了晶体塑性有限元方法在单晶叶片力学行为模拟中的应用，为我国发动机叶片设计和强度分析提供重要的理论参考和技术指导。
关键词：镍基单晶合金 蠕变 微结构 晶体塑性
中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）01-0263-01
一、引言
航空发动机涡轮叶片长期处于高温下，受到复杂应力和燃气冲击腐蚀等综合作用，工作条件十分恶劣。涡轮叶片等热端部件的可靠性是影响发动机性能和寿命的关键因素和技术难点。镍基单晶合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变、疲劳抗力及良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，被广泛用于制造航空发动机的涡轮叶片等核心部件。
镍基单晶合金通过定向凝固技术消除了晶界，使其高温抗蠕变、疲劳性能大大增强，成为最受关注、应用最广的高温合金。随着发动机服役温度的不断提高，单晶材料的蠕变行为和变形机制也随温度升高表现出不同的特征。因此，建立合适的本构模型对镍基单晶合金的蠕变行为进行预测，对于我国航空发动机叶片设计、强度分析和寿命预测具有重要的意义。
二、镍基单晶合金的发展趋势及现状
镍基单晶合金由于其优异的抗蠕变、疲劳和耐腐蚀性能，在过去的几十年里得到了世界各国的重视，并形成了合金系列应用到航空发动机的热端部件中，如美国的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英国的RR2000系列，法国的MC2、MC-NG系列，日本的TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距，距离大范围实际应用还有较长的路要走。
镍基单晶合金优异的高温性能得益于Re、Ru、W等难熔金属的添加。Re的添加有助于改善高温合金的显微组织和热稳定性，降低不稳定相及单晶缺陷等的影响，从而显著增强单晶合金的高温抗蠕变性能。研究表明，Re在合金中扩散最慢且Re团簇作为位错运动的障碍，增加位错运动的热激活能;Re的界面富集影响晶格错配和位错攀移;Re还与筏结构和界面位错网有密切关系。因此从第二代单晶合金开始Re的含量从2%不断增加到6%。但是，Re的添加增加了TCP相的析出，TCP相作为质硬且脆的有害相，极易在蠕变过程中促进微裂纹的萌生，降低单晶叶片的使用寿命。从第四代合金开始，在Re保持较高含量的同时添加一定量的Ru，以抑制TCP相的形成，改善合金性能。
三、镍基单晶合金的蠕变机制研究
镍基单晶合金的高温变形主要通过位错沿着特定的晶体学平面滑移完成。高温条件下合金微结构的演化会对位错运动产生阻碍，进而影响材料的蠕变性能。因此，要研究单晶合金的蠕变机制，必须建立在深刻认识蠕变过程中材料微结构演化规律的基础上。在不同温度范围和应力水平下，晶体活化能不同，微结构的演化不同，从而位错运动模式也不同，进而使得镍基单晶合金的蠕变行为表现出不同的特征。
在低温度（750℃）高应力下，蠕变曲线具有明显的第一、第二阶段。位错首先在基体内产生并增殖，位错密度增加，蠕变速率逐渐降低。当位错运动至界面时，位错在相界上发生攀移，或是以堆垛层错的方式切割 相。由于位错攀移和切割耗能，且位错在相界相遇后发生位错反应，蠕变率逐渐达到平衡。在蠕变进入第三阶段后，位错以位错对的形式切割沉淀相，多个滑移系同时开动，使得蠕变率迅速增加。
在较高温度（950℃）下，蠕变曲线的第一阶段几乎消失，仅呈现出第三阶段的特征，蠕变率随时间单调上升。位错首先在相增殖和运动，由于相含量较高，位错被限制在狭小的基体通道内，蠕变变形的主要机制为大量的交滑移。当位错在界面上相遇时相互反应形成位错网。随着位错网充满基体，位错以位错对的形式切割相，使其蠕变抗力降低。同时，蠕变变形过程中会产生微孔洞和微裂纹等损伤缺陷，引起蠕变损伤，微孔洞的萌生和增长、微裂纹的融合和扩展使蠕变损伤不断累积，蠕变率迅速上升直至发生断裂。
在1000℃以上的高温下，蠕变曲线初始变形很小，并在大部分时间内出现长平台区，在蠕变末期迅速断裂。初始立方状的相随蠕变进行逐渐变为椭球体，并相互连接形成筏状结构。筏结构会将连续的通道隔断，抑制垂直于筏化方向的位错攀移。位错被限制在 基体内形成位错网，并受到位错网阻碍使蠕变率下降。由于高温筏化速率很快，位错网在蠕变初期已经形成，宏观蠕变变形很小，蠕变曲线出现较长的平台区。随着蠕变变形的进行，相在高温下发生劣化，位错以位错对的形式切割相，并与铸造微孔和TCP相的蠕变损伤累积，在断面附近产生高度的局部变形，蠕变率迅速升高。
四、镍基单晶合金的本构模型研究
镍基单晶合金在航空发动机的广泛应用使其蠕变性能的研究一直是高温合金的研究热点问题。在深刻认识材料蠕变变形物理本质的基础上，提取合适的微观变量建立本构模型，对材料的宏观力学行为、进而对叶片的强度和寿命进行预测和分析，具有重要的理论意义和工程价值。
晶体塑性理论从位错滑移的物理本质出发，将材料的宏观塑性变形分解为不同滑移系上的位错滑移过程，在微观上建立各个滑移系上的运动方程以模拟材料的变形行为。晶体塑性模型是目前单晶蠕变研究广泛采用的方法，其关键在于如何建立滑移系上反映变形机理的运动方程、硬化准则和损伤演化律。在Huchison和Rice等人晶体塑性理论的基本框架和经典幂律模型基础上，MacLachlan提出了基于应变率的蠕变损伤率，探讨了六面体的开动，对单晶合金不同温度、应力以及晶体取向下的蠕变行为进行了模拟。Vladimirov基于Cailletaud模型，以位错密度为表征参量的硬化准则，提出了滑移系上定义的损伤演化律。Reed等细致分析了位错滑移、攀移和切割的作用机理，建立了位错不同运动模式的方程，引入到晶体塑性模型中很好地预测了1000℃以下材料的蠕变行为。Bai等人从描述滑移剪切率与位错密度关系的Orowan方程出发，提出了考虑滑移系上位错演化及位错相互作用机理的本构方程。Cormier等提出了 相的体积分数演化式及其对基体通道的影响，研究了超高温引起的 相溶解对蠕变行为的作用。
镍基单晶合金晶界的消除使其力学行为和温度、载荷以及取向密切联系，增加了建立本构模型的困难。单晶合金的蠕变变形机制主要为位错运动，并受到沉淀相含量、尺寸、形态、铸造微孔、夹杂、微裂纹等微观结构的影响，产生绕过、攀移、切割等不同的运动模式。因此，基于对蠕变过程中微结构演化的认识，建立与物理本质相适应的运动法则和本构模型，以应用于单晶叶片的宏观力学模拟和结构设计中，是一个具有重要理论意义和工程价值的科学问题，也是当今学界不断向前推进研究的方向。
五、结论
镍基单晶合金被广泛应用于航空发动机等先进推进系统的关键热端部件中，对其高温蠕变行为的研究直接关系到结构安全和使用性能。各国的研究者针对其成分设计、微观组织和力学模拟做了大量的研究，取得了丰硕的成果。但是，对于更高抗温能力的高温合金的迫切需求要求进一步加强对单晶合金成分设计的研究，阐明微观组织对宏观性能的影响，并建立合适的模型对宏观力学行为进行预测。
1.从成分上，Re和Ru等金属的添加有效地提高了镍基单晶合金的蠕变性能，然而Re和Ru强化蠕变性能的物理机制尚未完全清楚，同时由于Re和Ru增加了合金的成本和密度，而我国储量并不丰富，需要进一步研究Re和Ru的作用机理以及替代元素的可能性。
2.从微观机制上，镍基单晶合金的蠕变行为和位错运动、微结构演化密切相关，[001]方向单拉蠕变受到温度、应力的综合影响可分为三个影响区表现出不同的形态。而对于单晶合金的各向异性研究尚有欠缺，六面体滑移系的存在还存在争议，需要进一步探讨不同取向下的单晶蠕变机理。
3.本构模型是材料宏观性能和叶片强度分析的基础，晶体塑性模型能够反映材料的变形本质，联系宏观变形和物理机理，是目前广受重视的方法。但是，目前的模型还只能针对一种或几种物理机制进行解释，对较大温度范围的单晶蠕变行为缺乏预测能力，不能很好地预测涡轮叶片等结构的整体力学行为，还需要在多尺度、宽温度范围和宏观结构分析等方面进一步研究。