0 引言

高温合金是指以铁、钴、镍为基础，能在600 摄氏度以上的高温以及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，高温合金是单一奥氏体组织。其广泛应用于航空航天、核电、燃气轮机等领域，特别是在动力装置如航空发动机的涡轮叶片、涡轮轴和燃气轮机的叶轮上有着普遍的适用性。经过多年的研究，目前高温合金已经有了变形高温合金、铸造高温合金、单晶高温合金、粉末高温合金等类型。单晶高温合金合金化程度高，能够解决传统的铸锻高温合金偏析严重、加工及成型性能差等缺点，因此得到了科研技术人员的关注，在市场上具有广泛的应用。镍基单晶高温合金是以镍及其他微量元素组成的以单个晶体为单位的合金，在650-1000 摄氏度具有良好的抗燃烧腐蚀能力和抗氧化性能。在过去的40 年中，镍基高温合金工作温度从700 摄氏度提高到1100 摄氏度。影响镍基单晶高温合金工作温度及力学性能的因素主要有两种，一是生产工艺的革新，二是合金成分的改进。提拉法及尖端铸造法为单晶合金的发展创造了条件。W、Mo、Ti、Al、Ni、Co、Ru、Re 等微量元素能够进一步提高单晶高温合金的工作温度、高温强度以及高温抗腐蚀能力。本文回顾微量元素对镍基单晶高温合金的微观组织及性能的影响。

1 Al、Ti、Ta

在镍基单晶高温合金中，γ'相是主要强化相。γ'相是一种具有面心立方结构以AlNi3为主体的金属间化合物。Al、Ti、Ta 是镍基单晶高温合金中γ'相的形成元素及主要强化元素。Al、Ti 是γ'相的形成元素，Ta 通过置换部分Al、Ti 进入γ'相。元素的含量决定着合金相γ'的组织形态、合金中的含量及强化程度[1]。

Al 元素有助于提高镍基单晶高温合金的热处理性能、力学性能及相稳定性能。但是Al 的含量并非越多越好。国内外典型的第二代、第三代镍基单晶高温合金，Al的含量大约在%[2]，这是因为过量的Al 不仅会增加单晶合金的共晶含量，降低合金的强度，而且会降低Ta、W、Mo、Ni 等元素的加入量，不利于提高单晶合金的高温性能。史振学等人研究了Al 含量对于镍基单晶高温合金微观组织及力学性能的影响，其结果表明，Al 含量的增加对其热处理条件下的结构影响不大，仅枝晶间的γ’相有略微的增大，合金持续性能增强；但在时效组织下，其含量增加会导致TCP 相的析出、γ’相筛排化倾向加剧和枝晶干γ 相间通道变宽，使合金对外界应力的抵抗能力下降[2]。

Al 和Ti 作为γ’固溶强化相的主要形成元素，可以增强合金自身的稳定性，但随着高温合金在我国的发展，Ti 含量正在逐渐降低，Ti/Al 逐渐下降。目前主流的观点认为控制Ti/Al 主要是为了提升合金的抗腐蚀能力，而刘丽荣等人研究表明其在镍基单晶高温合金中的含量比对合金的微观组织（铸态和热处理态）以及持久性能有着一定的影响[3]，对铸态的影响主要体现在增加枝晶间的距离，使枝晶间γ’-γ共晶含量略有增加，这是由于Ti 的促进偏析作用强于Al；而对于热处理态来说，Ti/Al 主要影响了其错配度、γ’相的形态和γ、γ’相中元素的分配情况，Ti/Al 越低，错配度越高，元素分配越偏离1，γ’相尺寸也会略微减小，其主要与其立方体的形状及对形状略微的变化有关，猜测其尺寸的变化和元素分配的变化与破坏合金稳定的TCP 相的析出可能有关。至于对持久性的影响，研究表明由于Ti 对于γ’相的强化大于Al 且Ti 可以提高γ’相的反相畴界能进而增加位错，使得Ti/Al 越低，合金的持久性越差。

Ta 不同于Ti 与Al 在于三者虽都作为γ’相的形成元素，但Ta 在成相时不会产生TCP 相，且Ta 能通过置换部分Ti、Al 的方式进入γ’相，这两大特点就使得Ta、Ti、Al三者的含量对合金的性能产生了不同于单独Ti 与Al 的影响。通过刘丽荣和孙跃军两人领导的实验我们可以发现，Ta、Ti、Al 的含量对镍基单晶高温合金的组织相貌、强化相尺寸、持久性能都有着影响[1][4]。在刘丽荣等人的长期时效实验中，可以得出由于Ta、Ti、Al 含量的改变影响了合金组织的错配度，进而使得在相同时效的不同Ta、Ti、Al含量条件下，γ’相的相貌呈现出由圆形逐渐立方化最后趋于不规则的现象，可能因结构改变而对合金抗外来应力能力造成影响，同时还可以发现Ta、Ti、Al 的总含量可能一个限度，并非越多愈好，这是因为Ta、Ti 含量过高会使得铸态产生大量共晶析出，进而使得W、Mo 这两个与TCPμ相形成密切相关的元素的相对含量上升，导致TCP 相形成，破坏合金结构的稳定性[1]。再看孙跃军等人的实验，不同之处在于其探究了Ta、Ti、Al 含量对固溶温度的影响，研究表明Ta、Ti、Al 的含量越高，合金的固溶温度就越高。综上来看可以知道Ta 元素在对合金性能的改造上有很大的作用，相对于Ti 和Al 对合金的强化更稳定[4]。