1.背景介绍

随着航空发动机的发展，单晶涡轮叶片的服役温度要求不断提高。一般来说，通过添加Re、Cr、W等难熔元素提高镍基单晶高温合金的承温能力，但难熔元素含量的增加会导致TCP相的析出倾向增大。TCP相为脆性相，不仅易成为裂纹源和裂纹扩展通道，还会削弱基体相的固溶强化效果，严重威胁航空发动机的安全。为此，第四代单晶高温合金中引入Ru元素以抑制TCP相的析出，然而Ru在高温长时服役过程中对TCP相演变行为的作用机理尚不明晰。

2.成果简介

日前，来自西北工业大学凝固技术全国重点实验室的杨文超教授和苏海军教授团队采用高分辨TEM等先进手段揭示了Ru对四代单晶高温合金蠕变过程中TCP相长大和孪生行为的双重效应。研究发现，Ru可以通过取代TCP相中的W元素，抑制TCP相生长，并对W元素产生“逆分配”效应，从而有效缓解TCP相周围的局部应力集中，展现出一种积极作用；同时，Ru的添加又会提高TCP相的层错能，阻碍TCP相的孪晶转变，导致TCP相塑性变形能力降低，加剧了局部应力集中，促进了微孔洞形核及裂纹早期扩展，展现出一种负面作用。相关研究成果以“Dual effects of Ru on TCP phase growth and twinning behavior in a fourth-generation single crystal superalloy at 1100 ºC/150 MPa creep condition”为题发表于期刊Scripta Materialia上。论文的第一作者为博士研究生刘晨，通讯作者为杨文超教授，西北工业大学为唯一通讯单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116873

3.图文解析

图1分别展示了0Ru和3Ru合金（相比于0Ru合金添加3wt.%的Ru元素）在100 ºC/150 MPa条件下的应变-时间曲线以及蠕变过程中TCP相的形貌演变规律。结果表明：Ru的添加通过延长蠕变稳定阶段进而延长蠕变断裂寿命，同时Ru的加入抑制了TCP相的析出。

图1. （a）蠕变时间-应变曲线；（b）蠕变过程中两种合金TCP相面积分数变化图；（c）-（e）：0Ru合金蠕变过程中TCP相的形貌演变；（f）-（h）：3Ru合金蠕变过程中TCP相的形貌演变

进而，作者分别针对0Ru和3Ru合金中析出的TCP相类型和共生结构进行分析，图2分别展示了两种合金中TCP相类型的以及共生结构的鉴定结果。结果表明：两种合金蠕变过程中析出的TCP相均为σ相、P相和μ相，且TCP相之间存在明显的转变行为。

图2. （a）0Ru合金TCP相类型鉴定；（b）3Ru合金TCP相类型鉴定；（c）0Ru合金TCP相共生结构；（d）3Ru合金TCP相共生结构

采用HRTEM技术，针对Ru元素在μ相中的原子占位进行分析（如图3a-c），结果表明Ru元素与W元素在μ相中的占位规律一致。进一步，通过第一性原理计算验证这一结果（如图3d-e），计算结果显示Ru原子占据μ-Co₇W₆结构中W原子的C2位置时，形成能达到最小值，表明Ru元素容易替换μ相中的W原子，进而可以抑制TCP相的长大。

图3. （a）-（c）：HRTEM分析Ru元素在μ相中的占位；（d）-（e）：第一性原理计算分析Ru元素在μ-Co₇W₆结构相中的占位

作者进一步采用HRTEM分别对0Ru和3Ru合金中μ相的原子结构分析，如图4所示，发现二者存在差异：0Ru合金中μ相会发生孪晶转变，而3Ru合金中μ相并未发生孪晶转变。分析表明，0Ru合金中μ相的孪晶转变是通过层错结构的逐步演化实现的。于是，作者通过第一性原理计算了Ru掺杂前后μ-Co₇W₆结构的层错能，结果显示Ru的掺杂增大了层错能。这一结果证实，Ru元素通过提高TCP相的层错能，可以有效抑制TCP相的孪晶转变行为。

图4. （a）0Ru合金中μ相的暗场像和SAED图；（b）0Ru合金中μ相的高分辨像；（c）3Ru合金中μ相的明场像和SAED图；（d）-（g）：0Ru合金中μ相演变过程分析；（h）：第一性原理计算层错能结果

最终，作者提出了Ru对四代单晶高温合金蠕变过程中TCP相演变行为的作用机理，如图5所示。在蠕变初期，Ru的加入首先抑制TCP相形核。在蠕变稳定阶段，Ru的加入对TCP相的生长和孪生行为产生双重效应。一方面，Ru通过取代TCP相中的W元素（TCP相的主要形成元素）抑制TCP相生长，并对W元素产生“逆分配”效应，从而有效缓解TCP相周围的局部应力集中，表现出积极作用。另一方面，Ru的添加又会提高TCP相的层错能，阻碍TCP相的孪晶转变，导致TCP相塑性变形能力降低，反而加剧了局部应力集中，进而促进了微孔洞形核及裂纹早期扩展，表现出不利影响。

图5. 1100 ºC/150 MPa蠕变过程中Ru对TCP相演变行为的作用机理示意图

通讯作者：

杨文超，西北工业大学材料学院/凝固技术全国重点实验室长聘教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事铝合金、高温合金及其零件成形基础和应用研究。承担国家自然科学基金、太行国家实验室、工信部强基工程、国家重点研发计划、科技创新2030-新材料专项等纵向课题14项、中国航发集团等横向课题15项；在国内外知名学术期刊发表SCI论文100余篇，授权国家发明专利18件；获中国产学研合作创新奖、中国材料研究学会青年科技奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省航空学会青年科技奖、中国精品科技期刊顶尖学术论文奖、西北工业大学研究生教学成果二等奖；入选中国科协青年人才托举工程、陕西省杰青、湖南省100个科技创新人才；现任中国金属学会电磁冶金与强磁场材料分会委员、陕西省航空学会理事会理事、陕西省层状金属复合材料工程研究中心委员会委员、《金属学报》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《Materials Research Letters》青年编委等职。