【编者按】高温合金以其卓越的性能，在众多关键领域发挥着不可替代的作用。也因其重要性，被列为“卡脖子”关键技术。随着相关研究的不断深入以及先进合金不断推广应用，人们越发感悟到：如何把传统高温合金利用到极致，如何将新兴的制备方法应用于高温合金，如何在应用中实现科学合理的性能评价，如何优化部件制备工艺等等的重要性逐渐突显。“高温合金”专栏由中国科学院金属研究所王莉研究员担任特约编辑，邀请相关领域专家从传统高温合金的新制备工艺、新制备方法在高温合金中的应用、近服役环境性能评价以及高温合金叶片制备工艺等方面介绍了国内外在高温合金制备、性能及评价的最新进展。期望为相关人员及感兴趣读者了解该领域的发展前沿提供一个窗口。
「1」微晶铸造对K4169合金组织及持久性能的影响
胡聘聘1，王越1,2，李妍佳1，何金珊2，张丽辉1，罗亮1，王西涛2,3，肖程波1
1. 中国航发北京航空材料研究院 先进高温结构材料重点实验室，北京 100095
2. 北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083
3. 齐鲁工业大学 山东省轻质高强金属材料省级重点实验室，山东 济南 250014
DOI：10.7502/j.issn.1674-3962.202308030
摘要：分别采用普通铸造、细晶铸造和微晶铸造工艺制得了晶粒度为ASTM M9～M7级、ASTM M14～M9级和ASTM 3～5级的K4169合金试样，研究了微晶铸造对K4169合金组织及持久性能的影响。研究结果表明，微晶铸造工艺可显著细化晶粒，降低凝固偏析，减少Laves相和大块MC碳化物，增加γ″相体积分数；使合金704 ℃/448 MPa条件下的持久性能相比于普通铸造和细晶铸造合金分别提高了621%和44%，达到614.9 h；断裂模式从普通铸造K4169的脆性穿晶断裂转变为微晶铸造K4169的韧性沿晶穿晶混合型断裂。微晶铸造工艺引起的晶粒细化和γ″相体积分数的提高，有效强化了K4169合金，而大块MC碳化物及Laves相的减少，减少了潜在的裂纹萌生、扩展位置，二者共同作用提高了K4169合金的持久寿命，并降低了性能数据分散性。微晶铸造工艺可获得良好的综合力学性能，提升K4169合金机匣、壳体、扩压器等整体结构件在700 ℃以下的服役性能，有良好的应用前景。
K4169 合金热处理态的晶粒形貌及尺寸分布: (a)不同铸造工艺制备的K4169 合金的晶粒形貌, (b) 微晶铸造K4169的IPF-Z 图
Morphologies and size distributions of grains for heat treated K4169 alloys: (a) morphologies of grains for K4169 alloys in different casting processes, (b) IPF-Z map of micro-grain K4169
不同铸造工艺K4169 合金在704 ℃ /448 MPa 下的持久断口形貌及二次裂纹
Stress rupture surfaces and secondary cracks alloys at 704 ℃ /448 MPa of K4169 in different casting processes: (a, b) conventional K4169, rupture surface, (c) conventional K4169, secondary cracks; (d, e) fine-grain K4169, rupture surface, (f) fine-grain K4169, secondary cracks; (g, h) micro-grain K4169, rupture surface, (i) micro-grain K4169, secondary cracks
[引用格式]胡聘聘，王越，李妍佳，等. 微晶铸造对K4169合金组织及持久性能的影响[J]. 中国材料进展，2024，43(10)：865-870.
HU P P，WANG Y，LI Y J, et al. Effect of Micro-Grain Casting Process on Microstructure and Stress Rupture Properties of K4169 Alloy[J]. Materials China, 2024, 43(10): 865-870.
「2」叶片排列方式对一种第四代单晶高温合金叶片杂晶影响的数值模拟研究
撒世鹏，杨文超，秦嘉润，张军，刘林
西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
DOI：10.7502/j.issn.1674-3962.202309002
摘要：针对组模生产第四代单晶高温合金叶片时由于温度场不均匀导致的缘板杂晶问题，采用有限元模拟软件ProCAST对叶片在组模中以不同方式排列时凝固过程的温度场和晶粒组织进行模拟计算，并且分析了添加引晶杆对杂晶的影响。结果表明，在组模生产时，由于中柱的保温作用小，导致横向温度场不均匀，叶片以0°排列时，缘板边角靠近中柱，其凝固过程中温度下降较快，会在边角形成大的过冷，同时凝固过程的温度梯度较小，枝晶生长慢，杂晶的形成倾向最大。随着排列角度的增加，横向温度场的不均匀性得到改善，但由于第四代合金形核过冷度小，在缘板位置都会有杂晶形成。添加引晶杆可以消除缘板杂晶，但对于叶片以0°排列时，由于叶片进气边靠近中柱，会在引晶杆内产生杂晶。叶片以90°排列时，横向温度场较为均匀，添加的引晶杆内不会产生杂晶，同时组模直径小，可以降低对炉体型腔的尺寸要求，有望成为生产高代次单晶叶片的最优排列方式。
叶片模型结构(a), 分布排列示意图(b)
The structure of balde(a), schematic diagram of distribution arrangement(b)
不同角度排列时叶片的温度场模拟结果: (a)0°, (b)30°, (c)60°, (d)90°
Temperature field simulation results of blade in different arrangements: (a)0°, (b)30°, (c)60°, (d)90°
[引用格式]撒世鹏，杨文超，秦嘉润，等. 叶片排列方式对一种第四代单晶高温合金叶片杂晶影响的数值模拟研究[J]. 中国材料进展, 2024, 43(10): 871-878.
SA S P，YANG W C，QIN J R, et al. Numerical Simulation of Blade Arrangement on Stray Grains in a Fourth-Generation Single Crystal Superalloy Blade[J]. Materials China, 2024, 43(10): 871-878.
「3」磁场作用下高温合金增材制造技术的研究进展
郝铭淞1,2，李金国1，卢楠楠1，梁静静1，王凯2
1.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110167
2.中国科学院金属研究所 师昌绪先进材料创新中心高温合金结构材料研究部，辽宁 沈阳110016
DOI：10.7502/j.issn.1674-3962.202312005
摘要：相比传统的高温合金加工过程，高温合金增材制造具有生产周期短、材料利用率高等优势，但仍存在一些问题和瓶颈阻碍着该技术的发展。例如，在成形过程中难以避免的气孔和裂纹缺陷、材料性能各向异性明显等诸多问题。新兴的磁场辅助增材制造技术凭借磁场的无接触式控制特点，可以影响熔池对流和凝固动力学，改变材料凝固组织，并优化材料的力学性能。介绍了磁场对金属凝固过程熔体流动和组织凝固的影响机制，具体综述了磁场在高温合金增材制造方面的研究进展，分析了磁场对缺陷、微观凝固组织及力学性能的影响效果。
不同凝固阶段应用脉冲磁致振荡(PMO)技术获得的凝固组织[28] : (a)未处理, (b)施加PMO 至形核完成, (c)熔体冷却至958 K施加PMO, (d)最大形核率施加PMO, (e)在晶粒生长阶段施加PMO, (f)晶粒生长前期施加PMO, (g)晶粒生长后期施加PMO
Solidification structure by applying the PMO technique at different solidification stages[28] : (a)untreated, (b)apply PMO until the nucleation is finished, (c)apply PMO until the molten metal is cooled down to 958 K, (d)apply PMO for a period of 10 s around the maximal nucleation rate, (e)apply PMO for the whole stage of crystal growth, (f)after nucleation apply PMO in the first half of the time taken for crystal growth, (g)apply PMO in the last half of the time taken for crystal growth
有无磁场条件下PWA1483 高温合金定向凝固试样纵向显微组织(a, c)及EBSD 取向和反极图(b, d)[46] : (a, b) 0 T, (c, d) 0.7 T
Longitudinal microstructure (a, c) and EBSD orientation image maps and inverse pole figures (b, d) of directionally solidified specimens of PWA1483 superalloy with and without magnetic field[46]: (a, b) 0 T, (c, d) 0. 7 T
[引用格式]郝铭淞，李金国，卢楠楠，等. 磁场作用下高温合金增材制造技术的研究进展[J]. 中国材料进展, 2024, 43(10): 879-890.
HAO M S，LI J G，LU N N, et al. Research Progress in Additive Manufacturing Technology of Superalloy under Magnetic Field[J]. Materials China, 2024, 43(10): 879-890.
「4」镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展
刘静1,2, 王莉1, 于明涵1,2, 闵师领1,2, 李佳声1, 董加胜1, 楼琅洪1
1. 中国科学院金属研究所 师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 110016
2. 中国科学技术大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230026
DOI：10.7502/j.issn.1674-3962.202409025
摘要：
航空发动机与燃气轮机作为国之重器，对保障国防安全和能源安全具有重要意义。随着发动机效率的不断提升，涡轮进气口温度不断提高。先进叶片往往采用高代次单晶高温合金材料制备，具有薄壁、多孔复杂冷却结构，且表面涂覆先进涂层，因而先进单晶叶片结构越来越精细复杂，服役过程中叶片不同部位温度场、应力场分布变化更大，其损伤机制无法通过传统棒状试样的变形损伤机制完全体现。基于先进单晶叶片的结构特点及服役环境特点，综述了叶片结构（薄壁、气膜孔）、二次枝晶取向（二次取向）及先进涂层等单一因素及多因素耦合作用对单晶合金拉伸、蠕变及疲劳等典型性能的影响规律及损伤机理研究，并对镍基单晶高温合金近服役环境性能研究的发展方向进行展望。
高温合金叶片承温能力发展
The development of temperature capability of superalloy blades
[引用格式]刘静, 王莉, 于明涵，等. 镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展[J]. 中国材料进展, 2024, 43(10): 891-901.
LIU J，WANG L，YU M H, et al. Research Progress on the Service Environmental Performance of Nickel-Based Single Crystal Superalloys[J]. Materials China, 2024, 43(10): 891-901.
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