张健 王栋 李亚微 黄亚奇 展鑫 谢光. 单晶高温合金近服役环境下的变形损伤行为[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00292.

摘要 相关文章 Metrics 全文: PDF(3968 KB)   摘要: 镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的核心材料，其在高温、复杂应力及环境耦合作用下的变形损伤行为，直接影响叶片服役安全与寿命。本文系统综述了近年来单晶高温合金在蠕变、疲劳及热机械疲劳等方面的研究进展，重点分析了在多场耦合条件下微观组织的演化规律与损伤机制。在蠕变方面，总结了薄壁效应、热腐蚀及多轴应力对性能的影响，揭示了超高温、长时服役和非等温蠕变中的新现象与新机制；在疲劳方面，阐明了从低周、高周到超高周疲劳条件下裂纹萌生机制的转变规律，探讨了热-力-环境耦合与多轴应力的协同作用，并强调了表面状态与结构特征在构件疲劳中的关键影响；在热机械疲劳方面，探讨了相位关系、晶体取向、合金元素及涂层/基体交互作用对损伤行为的影响。本文还评述了原位表征技术在揭示变形损伤机理中的应用与进展，并展望了本领域的未来研究方向。 关键词 ： 单晶高温合金,  近服役,  蠕变,  疲劳,  热机械疲劳     Abstract：Ni-based single crystal superalloys are the key material for turbine blades in aero-engines and gas turbines. Their deformation and damage behavior under the coupling effects of high temperature, complex stress, and harsh environment directly affects the service safety and lifespan of the blades. This paper systematically reviews the recent research progress on single crystal superalloys in terms of creep, fatigue, and thermal-mechanical fatigue (TMF), with a focus on analyzing the evolution of microstructures and damage mechanisms under conditions of multi-field coupling. For creep, the paper summarizes the effects of thickness debit effect, hot corrosion, and multiaxial stress on material properties, and reveals new phenomena and mechanisms in ultra-high temperature, long-term service, and non-isothermal creep. For fatigue, we clarify the transformation of crack initiation mechanisms under low-cycle, high-cycle, and very-high-cycle fatigue conditions, discuss the synergistic effect of thermo-mechanical-environment coupling and multiaxial stress, and emphasize the key influence of surface state and structural characteristics on the fatigue performance of components. For TMF, the paper explores the impacts of phase relationship, crystal orientation, alloying elements, and coating/substrate interaction on the damage behavior. Additionally, this paper reviews the application and progress of in-situ characterization techniques in revealing the mechanisms of deformation and damage. Finally, the future prospects for the field have been summarized. Key words： single crystal superalloy    near-service    creep    fatigue    thermal-mechanical fatigue 收稿日期: 2025-09-28      ZTFLH:  TG132.3   基金资助:国家重点研发计划;国家科技重大专项;中国科学院依托重大科技基础设施的建制化科研项目;国家自然科学基金;国家资助博士后研究人员计划;中国科学院国际伙伴计划 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 张健 王栋 李亚微 黄亚奇 展鑫 谢光 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/Y0/V/I/0 [1] 徐小严, 方超, 邱建科, 张蒙蒙, 史栋刚, 马英杰, 雷家峰, 杨锐. 峰值应力对Ti6242压气机盘锻件室温保载效应的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1141-1152. [2] 李永梅, 谭子昊, 王新广, 陶稀鹏, 杨彦红, 刘纪德, 刘金来, 李金国, 周亦胄, 孙晓峰. 一种低成本第三代单晶高温合金的高温氧化行为[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1049-1059. [3] 何家宝, 王亮, 张朝威, 邹明科, 孟杰, 王新广, 姜肃猛, 周亦胄, 孙晓峰. Al2O3 涂层对硅基陶瓷型芯与镍基单晶高温合金界面反应的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1093-1108. [4] 周任远, 朱丽慧. Inconel 740H焊接接头不同温度蠕变后 γ′贫化区的形成及其对力学性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(5): 744-756. [5] 李新宇, 白佳铭, 张浩鹏, 李晓鲲, 贾建, 刘常升, 刘建涛, 张义文. 先进镍基粉末高温合金FGH4108在不同应力条件下的蠕变行为[J]. 金属学报, 2025, 61(5): 757-769. [6] 张浩鹏, 白佳铭, 李新宇, 李晓鲲, 贾建, 刘建涛, 张义文. Hf和Ta对镍基粉末高温合金蠕变断裂特征和性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(4): 583-596. [7] 周生玉, 胡明昊, 李冲, 丁海民, 郭乾应, 刘永长. 一种 γ'/γ'' 相强化镍基高温合金的蠕变行为[J]. 金属学报, 2025, 61(2): 226-234. [8] 王旗涛, 李艳芬, 张家榕, 李尧志, 付海阳, 李新乐, 严伟, 单以银. 聚变增殖包层用低活化9Cr-ODS钢的室温低周疲劳行为[J]. 金属学报, 2025, 61(2): 323-335. [9] 韩婧, 邵琛玮, 邱子浩, 张振军, 张哲峰. 晶粒尺寸对Fe-Mn-Al-C系第三代TWIP钢低周疲劳性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(12): 1873-1883. [10] 韩英, 吴雨航, 赵春禄, 张靖实, 李振民, 冉旭. 选区激光熔化成形Al-Si-Fe-Mn-Ni合金的高温蠕变行为[J]. 金属学报, 2025, 61(1): 154-164. [11] 张竟文, 余黎明, 刘晨曦, 丁然, 刘永长. 高Cr马氏体耐热钢的协同强化机制及形变热处理应用[J]. 金属学报, 2024, 60(6): 713-730. [12] 刘金来, 孙晶霞, 孟杰, 李金国. 一种第三代单晶高温合金的组织稳定性与持久性能[J]. 金属学报, 2024, 60(6): 770-776. [13] 熊毅, 栾泽伟, 马云飞, 厉勇, 查小琴. 超音速微粒轰击诱导表面纳米化对300M钢腐蚀疲劳行为的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(5): 627-638. [14] 孟子凯, 孟智超, 高长源, 郭辉, 陈汉森, 陈刘涛, 徐东生, 杨锐. 不同条件下纳米晶 α-Zr蠕变行为的分子动力学模拟[J]. 金属学报, 2024, 60(5): 699-712. [15] 程胜, 孙阳, 赵文辉, 栾义坤, 郑成武, 李殿中. GCr15钢滚动轴承疲劳剥落失效过程中一种针状相的形成[J]. 金属学报, 2024, 60(4): 425-433. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed