高性能镍基单晶高温合金长寿命使役稳定性的组织结构优化及原子机理

The development of nickel-based single crystal superalloy is the urgent and major demand of China. This project is intended to address the bottleneck technical problems and related scientific problems of the (Re-containing) nickel-based single crystal superalloys in China. Those problems including 1) how to accurately characterize the distribution of strengthening elements at the atomic scale, and the microstructural mechanism affecting the long life-stable stability of the alloy; 2) the atomic mechanism of high-temperature creep, fatigue, and oxidative damage; 3) how to suppress the formation of topological closed packed (TCP) phase; 4) how to widen the solution temperature window. We intend to optimize the Co、Hf、Cr、Mo、W、B、Re, etc elements based on the accurate characterization of cross-scale microstructures (fine to atomic scale) characterization. We also intend to formulate a reasonable heat treatment process, broaden the solution temperature window, obtain high-performance nickel-based single crystal superalloy with a stable structure, and clarify the atomic scale mechanism of creep, fatigue, and oxidation. Further, we will use the original in-situ high-temperature mechanical electron microscopy, to simulate the thermal and force coupling conditions, to clarify the evolution law and stability mechanism of the microstructure of (Re-containing) nickel-based single crystal superalloys. The basic experimental data of key microstructural mechanism and theoretical basis are provided for the design and optimization of the nickel-based single crystal in China.

高性能Ni基单晶高温合金是我国国家战略需求材料。本项目拟针对高性能（含Re-）Ni基单晶高温合金的瓶颈性技术难题及相关的关键基础科学问题，包括：1）如何在原子尺度精确表征强化元素的分布特征，及其影响合金使役稳定性的微观机理；2）高温蠕变、疲劳及氧化损伤的原子机制；3）如何抑制拓扑密堆（TCP）相形成；4）如何拓宽固溶处理温度窗口等。以跨尺度显微结构（精细至原子尺度）精确表征为基础，优化Co、Hf、Cr、Mo、W、B和Re等合金成分，制定合理的热处理工艺，拓宽固溶处理温度窗口、获得组织结构稳定的高性能（含Re-）Ni基单晶高温合金，阐明其蠕变和疲劳的原子尺度机理；进一步运用原创的原子层次原位高温力学电子显微学方法，模拟热力（氧）耦合使役条件，阐明高温合金显微组织结构演变规律及稳定性原子机制；为我国Ni基单晶高温合金设计和优化提供关键的微观机理基础实验数据和理论依据。

高性能镍基单晶高温合金是我国国家战略需求材料，它在热力耦合条件下的稳定性决定了航空发动机使役的安全性。理解、掌握镍基单晶高温合金的强化机理，是研制组织结构稳定的镍基单晶高温合金及航空发动机不断进步的基础保障。本项目针对高性能镍基单晶高温合金尚存在的瓶颈性技术难题及相关的关键基础科学问题展开研究，具体包括：1) 如何拓宽固溶处理温度窗口； 2）如何抑制拓扑密堆（TCP）相形成；3) 高温蠕变、疲劳及氧化损伤的原子机制。在理论发现、技术创新和材料研制三方面均取得了一些原创性的成果。在理论发现方面，揭示了关键元素合金化原理，丰富了组织结构稳定性理论，阐明了蠕变时γʹ相筏化的主要诱因；在技术创新方面，提出了组织结构稳定性的成分改性及工艺优化方法、将固溶处理窗口拓宽了20 ℃且TCP相析出时间最高可延缓900 h，发展了使役条件原子分辨科学装置、揭示了初期氧化的模型及氧化诱发失效机制的改变；在材料研制方面，研制出关键蠕变性能大幅度提升的新合金材料。相关成果被中国航发北京航空材料研究院采用，作为我国高性能镍基单晶高温合金合金设计和优化的关键基础实验数据和理论依据；研制的热-力-氧多场耦合条件下原子分辨科学装置实现了成果转化，在国内外50余家科研院所获得应用，该装置选了2019年度科学仪器优秀新品奖。共发表论文学术40篇，其中SCI论文37篇，包括Science 1篇、Nature Communications 3篇、Acta Materialia 3篇等；共申请中国发明专利17项，授权4项。