0引言

航空发动机推力和推重比的不断提高，对导向叶片、涡轮叶片、涡轮盘等热端部件的承温能力提出了更高的要求^[1]。开发热力耦合作用下组织稳定性良好、抗氧化和抗热腐蚀性能优异的高温结构材料，是提升航空发动机性能的关键^[2]。镍基高温合金因具有良好的化学稳定性和较高的抗腐蚀性能，作为制备航空发动机热端部件的首选材料^[3]。但目前热端部件的实际服役温度已经接近材料的服役极限，为了满足航空工业的发展，各国都在寻求传统镍基高温合金的替代材料^[4]。

Ni₃Al（γ'相）金属间化合物由于具有轻质、熔点高、抗氧化性能好等优点，一直是镍基高温合金的主要强化相。Ni₃Al基高温合金是γ′相含量较高（80%以上）的金属间化合物基高温合金，具有轻质、组织结构稳定和高抗蠕变性能等优点，被认为是替代传统镍基合金的理想材料^[5]。目前，Ni₃Al基合金已在发动机热端结构件、耐烧蚀部件和汽轮机耐汽蚀部件得到了应用，正在成为新一代耐热工程结构材料。

基于此，本文综述了多晶Ni₃Al基合金的相组成、成分控制和服役性能等方面的研究现状。分析了合金元素、相结构对性能的影响机制，总结了热处理和服役环境对合金微观组织与性能的影响规律，并对Ni₃Al基合金的未来发展进行了展望。

1 多晶Ni₃Al基合金的相组成与成分设计

1.1 相组成

多晶Ni₃A1基合金通常主要由γ′相（>80%）、γ相组成和晶界碳化物、硼化物和TCP相等组成（图1）^[6]。γ基体是具有面心立方结构（FCC）的固溶体，主要由Ni元素构成，其它元素在γ基体中的溶解度差异较大，即不同元素对合金中的固溶强化效果不同。γ′相是一种由面心立方结构（FCC）衍生而来的L1₂型有序晶体结构^[7]。γ′相和γ相的晶体结构类似但点阵常数不同，使得Ni₃A基合金中γ基体与沉淀析出的γ′相间存在晶格错配，晶格错配较高时会使得γ相和γ′相的界面处形成高密度界面异位，阻碍位错在两相之间的运动，从而起到强烈的沉淀强化作用^[8]。

碳化物是多晶Ni₃Al基合金中常见的晶界强化相，可分为初生MC型碳化物和M₆C型、M₇C₃型、M₂₃C₆型次生碳化物^[9]。碳化物对合金性能的影响具有两面性，大块网状MC碳化物由于自身脆性容易产生微裂纹，降低合金性能；小尺寸块状碳化物则可以有效阻碍位错运动，从而提升合金的持久性能^[10]。

图1 铸态Ni₃Al基合金双相区(γ+γ′)微观组织（a）整体形貌，（b）放大图

Fig. 1 Microstructure of dual phase area(γ+γ′) of as-cast Ni₃Al-based superalloy (a) overall microstructure, (b) magnified view

1.2 成分设计

目前，优化多晶Ni₃Al基高温合金组织与性能常用的方法是合金化，Cr、Fe、Ti、Al、Ta等作为合金的主要组成元素，它们之间的协同作用在保证合金具有优异性能的同时，会对合金的组织和性能产生较大的影响^[11]。Ni、Al、Ti元素是γ′强化相的主要形成元素，同时Al和Cr元素也是提升合金抗氧化性能的主要元素，因此需合理控制（Al+Ti）含量和Al/Ti值^[12]。

此外，固溶强化是通过在合金中添加多种可溶性元素来提高合金的强度。Co和Cr元素主要分布在γ基体中，具有显著的固溶强化作用。Co和Cr元素还可以分别提升合金的抗蠕变和抗腐蚀性能^[13, 14]。因此，成分设计时应适当提升Co､Cr､Mo和稀土Re等固溶强化元素的含量。但是添加以上元素时应使γ相和γ′相保持较小的错配度，降低γ、γ′相之间的界面能和堆垛层错能，促进位错分离和孪晶形成，维持基体与析出相之间的共格界面稳定并提高合金的抗蠕变能力，从而获得长期服役过程中组织稳定的Ni₃Al基高温合金^[15]。

可见，多晶Ni₃Al基高温合金成分设计过程中，应合理控制固溶元素（Co､Fe､Cr､W､Mo､Re等）和沉淀强化元素（Al、Ti、Ta、Nb等）的含量与比例，保证γ′相的体积分数超过80%，实现固溶强化、沉淀强化（共格应变强化机制、位错切割有序相颗粒机制、Orowan绕过机制和位错攀移机制）和晶界强化协同作用，获得综合性能优异的多晶Ni₃Al基高温合金。

2热处理工艺

多晶Ni₃Al基高温合金的成型过程较为困难，通常通过在凝固过程中诱导共晶区的形成来提升合金的铸造性、热塑性和焊接性，但共晶区的产生会影响γ′相的形貌和分布，进而降低合金的力学性能^[2]。因此，通过热处理对合金的组织进行优化对于提升合金的综合性能至关重要。

为了揭示热处理过程（加热温度、保温时间和冷却方式）对多晶Ni₃Al基合金组织与性能的影响。Xia等人在1270℃下对多晶Ni₃Al基高温合金进行了短时（3 h）和长时（18 h）固溶处理，发现在固溶处理后合金的共晶区出现了大量球形γ′相，并在共晶区和双相区界面处析出了蘑菇状γ′相（图2）^{[16, 17]}。此外，双相区初次γ′相的立方度、尺寸和体积分数均随冷却速率降低而有所增加，同时二次γ′相析出尺寸也越大，较慢的冷却速率促进了共晶区针片状γ′相和α-Cr相的析出^[3]。

可见，热处理过程对多晶Ni₃Al基高温合金的微观组织和综合性能产生了较大的影响。固溶、时效处理可以改善共晶区和双相区的形貌、数量及分布，进而改善多晶Ni₃Al基高温合金的抗蠕变等综合性能。

图2 沉淀相析出机理：（a）沉淀相分布,（b）沉淀相形貌，（c）沉淀相明场图像，（d）沉淀相早期析出形貌，（e）晶格缺陷

Fig. 2 Precipitation mechanism: (a) precipitation distribution, (b) precipitation morphology, (c) bright field image, (d) early precipitation morphology, (e) lattice defect

3 性能评价

3.1热腐蚀性能

多晶Ni₃Al基高温合金因具有高比刚度与比强度，优异的高温耐热性能，而被用于制备发动机燃烧室等热端部件。合金在服役过程中会长期处于含有钠、硫和钒的恶劣环境中，容易受到熔盐（Na₂SO₄、NaCl及其混合物）和气体（SO₂、H₂S、O₂等）的腐蚀^[18]，导致合金的组织和性能发生变化，进而影响发动机正常工作。研究人员利用硫酸盐-氯化物混合物对多晶Ni₃Al基合金进行了热腐蚀，发现LiCl(10wt.%)-Li₂SO₄混合物对Ni₃Al基合金的腐蚀程度较大，混合物加入MgO后腐蚀性有所降低^[19]。除了熔盐腐蚀外，高温下SO₂气体也会显著影响多晶Ni₃Al基合金热的腐蚀行为，当腐蚀时间为2 min时，双相区和界面区观察到了不规则的颗粒和条带状腐蚀产物。随着腐蚀时间的增加，颗粒形貌逐渐趋于规则多面体，共晶区颗粒尺寸减小，界面区颗粒尺寸增大，而在双相区中晶粒尺寸先减小后增大^[18]。可见，影响多晶Ni₃Al基合金抗热腐蚀性能的三大因素为合金成分、微观结构和相组成。

3.2 抗蠕变性能

多晶Ni₃Al基高温合金工程结构组件在服役过程中经常受到温度场和应力场的双重作用（热力耦合作用），使材料发生蠕变断裂从而导致失效。Wu等人^[20]在800℃/200 MPa条件下开展了蠕变中断试验，发现合金蠕变断裂后双相区中出现了双峰R型的筏状γ′相，并在γ′相附近产生了大量的位错缠结。同时，位错运动方式随着应力的增加而改变，在760℃/500 MPa蠕变条件下位错网会阻碍位错移动，使得位错难以穿过γ/γ′相界面进入γ′相，但是540 MPa和580 MPa蠕变条件下位错可以通过堆积、扩展和压杆位错的方式进入γ′相^[21]。

在服役过程中多晶Ni₃Al基高温合金的晶界和共晶区属于薄弱区域，这是因为热处理时共晶区析出的α-Cr相比针片状γ′相稳定性差，容易发生回溶^[22]。可见，针片状γ′相有利于提升Ni₃Al基合金的抗蠕变性能。

3.3 焊接性能

随着航空航天、核电等领域对热端部件结构和承温能力要求的不断提高，单一的锻造或铸造工艺已不能满足复杂结构件的需求，因此发展高温合金焊接技术显得尤为重要。近期，研究人员利用不同中间层合金开展了多晶Ni₃Al基高温合金与同种/异种合金的TLP连接实验，发现：采用BNi-2中间层进行瞬态液相（TLP）连接时，接头由非等温凝固区（ASZ）、等温凝固区（ISZ）和含硼化物沉淀的扩散影响区（DAZ）组成，且接头的力学性能与母材相当^[23]；利用Ni/Ti中间层进行TLP扩散连接时，接头区域主要由γ′-Ni₃(Al, Ti)、TiNi₃、富Cr-Mo-Fe析出物和β-Ti组成，并且随着保温时间增加非热凝固区TiNi₃相逐渐减少，最终消失^[24]；采用Mn–Ni–Cr中间层进行TLP扩散连接时，接头组织除了γ-Ni、γ′-Ni₃(Al，Ta)、MC和M₂₃C₆碳化物外，在ISZ中还形成了带状Ni(Mn，Al)相^[25]。使用BNi-2中间层对Allvac 718Plus合金和多晶Ni₃Al基合金进行TLP连接时，接头区域由等温凝固区、非等温凝固区和扩散影响区组成。718Plus侧DAZ析出了粒状、针状的富Cr-Mo-N硼化物，多晶Ni₃Al基合金侧DAZ析出了位于γ通道的B₃Cr₅^[26]。

可见，瞬时液相（TLP）连接结合了传统钎焊和固相焊接的优点，实现了多晶Ni₃Al基高温合金与同种/异种合金的有效连接。连接温度、保温时间、连接压力和中间层材料等工艺参数是接头的组织和性能的主要影响因素，连接压力和中间层材料的开发还有待探索。

4 结语与展望

多晶Ni₃Al基合金具有优异的综合性能，在航空航天、核电等领域得到了广泛关注。目前，通过合金成分、热处理工艺优化实现了对各种相组织含量、形貌和分布的精准调控，提升了合金的综合能力。对多晶Ni₃Al基合金的热腐蚀行为和腐蚀机理进行了研究。同时，利用TLP连接工艺初步实现了多晶Ni₃Al基合金与同种/异种合金的高效连接，并初步探究了多晶Ni₃Al基高温合金在热力耦合作用下的蠕变断裂机理。但作为一种新型金属间化合物基高温合金，为推动其应用，仍需开展大量研究，特别是在以下几个方面：（1）双相区、共晶区和界面区组织精细化控制；（2）热力耦合作用下合金的蠕变断裂机制及调控技术；（3）稀土元素（Ru、Y、Zr等）对多晶Ni₃Al基高温合金组织与性能的影响规律，探索微合金化新方法；（4）异种γ′相强化高温合金的高效连接基础理论研究与技术开发；（5）多晶Ni₃Al基合金与同种/异种焊接中间层成分设计与连接机理研究。

参考文献

[1] 师昌绪, 仲增墉. 中国高温合金五十年[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2006: 1-50.

[2] Ding J, Jiang S, Li Y, et al. Microstructure evolution behavior of Ni₃Al (γ′) phase in eutectic γ-γ′ of Ni₃Al-based alloy[J]. Intermetallics, 2018, 98, 28.

[3] Wu J, Liu Y, Li C, et al. Influences of solution cooling rate on microstructural evolution of a multiphase Ni₃Al-based intermetallic alloy[J]. Intermetallics, 2019, 109(48).

[4] Xia X, Peng Y, Zhang J, et al. Precipitation and growth behavior of γ′ phase in Ni₃Al-based superalloy under thermal exposure[J]. Metals and corrosion, 2019.

[5] Liu G, Xiao X, Véron M, et al. The nucleation and growth of η phase in nickel-based superalloy during long-term thermal exposure[J].  Acta Materialiaia, 2020, 185: 493–506.

[6] 姜珊. Ni3Al 基高温合金双相区和共晶区界面 γ'相的析出与循环氧化行为研究[D]. 天津:河北工业大学, 2019.

[7] 骆宇时, 赵云松, 杨帅, 等. Ru对一种高Re单晶高温合金γ/γ′相中元素分布及高温蠕变性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2016, 45(7): 1719-1725.

[8] Williams R. Aging of nickel base alumimium alloys[J]. Transactions of the metallurgical Society of AIME, 1959, 215: 1026-1032.

[9] 国京元. 多相Ni₃Al基高温合金微区等温氧化行为[D]. 天津: 天津大学, 2021.

[10] Qian M, Luo H, Ding C, et al. The effect of long term high temperature annealing  on twinning and detwinning of the wrought Ni3Al-based alloy[J]. Materials  Characterization, 2017, 132: 458-466.

[11] 宫声凯, 尚勇, 张继, 等. 我国典型金属间化合物基高温结构材料的研究进展与应用[J]. 金属学报, 2019, 55(9): 1067-1076.

[12] 庄晓黎. 基于材料基因工程方法的CoNi基变形高温合金成分设计与优化[D]. 北京: 北京科技大学, 2023.

[13] Reed R C, Tao T, Warnken N, et al. Alloys-by-design: application to nickel-based single crystal superalloys[J]. Acta Materialia, 2009, 57(19): 5898–5913.

[14] Liang L, Yi R, Lu Q, et al. Effects of Alloyed Aluminum and Tantalum on the Topological Inversion Behavior of Ni-Based Single Crystal Superalloys at High Temperature[J]. Advanced Engineering Materials, 2018, 1800793.

[15] Ma W, Han Y, Li, Zheng Y, et al. Effect of Mo content on the microstructure and stress rupture of a Ni base single crystal superalloy[J]. ActaMetallurgica Sinica, 2006,42(11): 1191-1196.

[16] Ding J, Jiang S, Wu Y, et al. Precipitation and growth behavior of mushroom-like Ni₃Al[J]. Materials Letters, 2017.

[17] Xia X, Peng Y, He X, et al. Precipitation Behavior of Spherical γ′ Phase in Eutectic Area of Ni₃Al-Based Alloy[J]. Advanced Engineering Materials, 2019, 1801318.

[18] 刘畅. 多晶Ni₃Al基高温合金抗热腐蚀性能研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2022.

[19] Song P, Liu M F, Jiang X W, et al. Influence of alloying elements on hot corrosion resistance of nickel-based single crystal superalloys coated with Na₂SO₄ salt at 900 °C[J]. Materials Design, 2021, 197, 10997.

[20] Wu J, Li C, Wu Y, et al. Creep behaviors of multiphase Ni₃Al-based intermetallic alloy after 1000 ℃-1000 h long-term aging at intermediate temperatures[J]. Materials Science and Engineering A. 2020, 790, 139701

[21] Jiang L, Cui Y, Wu M, et al. Creep behavior and dislocation mechanism of Ni₃Al based single crystal alloy IC6SX at 760 ℃[J]. Progress in Natural Science: Materials International, 2021, 31: 755–761.

[22] Wu Y, Liu Y, Li C, et al. Coarsening behavior of γ′ precipi‐tates in the γ'+γ area of a Ni₃Al-based alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 771: 526.

[23] Yang Z, Lian J, Cai X Q, et al. Interfacial microstructure evolution and mechanical properties of Ni₃Al-based alloy TLP joints with BNi-2 interlayer[J]. Intermetallics, 2020, 125, 106885.

[24] Yang Z, Lian J, Cai X, et al. Microstructure and mechanical properties of Ni₃Al-based alloy joint transient liquid phase bonded using Ni/Ti interlayer[J]. Intermetallics, 2019, 109: 179-188.

[25] Lin Y, Jin R, Xiong J . Transient liquid phase bonding of Ni₃Al based superalloy using Mn-Ni-Cr filler[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 11: 1583-1593.

[26] Yang Y, Ding J, Wang Y, et al. Effect of holding time on microstructure and mechanical properties of dissimilar gamma'-strengthened superalloys TLP joint [J]. Advanced Engineering Materials, 2023.