中科院金属所：稀土Y在镍基单晶高温合金蠕变机制中的双重角色，晶格失配与原子扩散协同效应

2025-12-05 16:29:06 作者：中科院金属所来源：中科院金属所分享至：

燃气轮机叶片是燃气轮机的核心构件之一，其极端的服役条件对材料提出了极高的要求，对于燃气轮机叶片而言，制备材料需同时满足高温、高压、高速旋转等极端工况下的性能要求，具体包括材料强度、耐热性、抗疲劳性等关键指标。目前，镍基单晶高温合金（Ni-SXs）是燃气轮机叶片的关键材料，对于该合金体系而言，高温性能主要依赖于γ/γ'双相结构，目前研究人员们常用稀土元素（如Y）提升材料的高温抗氧化性，但其对蠕变性能的影响仍存在一定的争议，同时，以往针对高温高强合金的研究多聚焦于多晶合金，而单晶体系由于缺乏晶界，传统强化机制在单晶体系中并不适用，因此Y在Ni-SXs中的作用机制尚不明确。

中国科学院金属研究所与东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（现已重组为东北大学数字钢铁全国重点实验室）的联合团队于2025年11月在材料领域权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》期刊上在线发表题为“Unraveling the dual role of yttrium in the creep deformation mechanism of Ni-based single crystal superalloys: A synergistic effect of lattice misfit and atomic diffusion”的研究论文。在该论文的工作中，团队系统研究了钇（Y）掺杂对DD5镍基单晶高温合金蠕变性能的影响，发现Y浓度在320 ppm时合金的蠕变寿命提升165%，但超过此阈值反而会导致寿命下降44%，同时团队系统揭示了Y通过调控原子扩散和晶格失配应力来影响蠕变机制的协同效应。通讯作者为中科院金属所刘纪德副研究员和李金国研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.065

【核心内容】

该研究以DD5合金为研究对象（一种高性能的高温合金，其核心成分主要包括镍、铬、钴等元素），通过在DD5合金中添加不同浓度Y（0-1900 ppm），并在1100 ℃/100 MPa条件下进行蠕变测试，发现Y的临界阈值约为320 ppm，低于此值时，Y抑制原子扩散并降低γ/γ'晶格失配应力，延缓粗化过程，从而提升蠕变寿命；但超过320 ppm后，过量Y促进微孔在枝晶间形核，引发脆性断裂，导致寿命下降，团队提出了一个综合模型，量化了筏化组织与微孔损伤的竞争机制，为合金设计提供了优化窗口（300-600 ppm Y）。

图形摘要

【研究方法】

作者制备了四种Y掺杂合金（00DD5、01DD5、32DD5、190DD5，对应Y浓度0、10、320、1900 ppm），通过定向凝固确保[001]取向单晶。蠕变测试采用圆柱试样在1100 ℃/100 MPa下进行，结合SEM、STEM、HR-XRD等多尺度表征分析微观结构演化。此外，利用Darken扩散模型、Eshelby应力计算和修正的Norton方程，量化了扩散系数、晶格失配及蠕变寿命预测。

【研究成果】

① Y浓度对蠕变寿命的双重影响及机制竞争

研究揭示了Y浓度与蠕变寿命的非线性关系：在320 ppm Y时，寿命达到峰值1512.78小时，较无Y合金提升165%；但1900 ppm Y时寿命降至852.62小时。这种双重行为源于筏化（rafting）与微孔损伤的竞争机制，低Y浓度下，Y通过抑制原子扩散和减小晶格失配应力，延缓粗化，提升蠕变抗力；高Y浓度时，过量Y促进微孔形核，导致脆性断裂。

蠕变断裂曲线总体图

② Y对微观结构演化的多尺度调控作用

添加Y后，DD5合金的筏状微观结构显著细化，蠕变实验后，γ基体的通道宽度减少30%，同时γ'体积分数增至51%，且Y主要是以固溶于γ基体的形式存在（固溶度为0.05-0.20 at.%），Y固溶之后能够降低基体的有效扩散系数，晶格失配分析显示，水平通道失配应力从-0.37%降至-0.11%，证实Y能够通过热力学和动力学抑制粗化。

γ/γ'微观结构对比图

断裂形貌SEM图像

γ/γ'相HAADF-STEM和EDS分析图

③ 蠕变寿命预测模型与优化设计窗口

团队建立了DD5蠕变寿命的预测模型，该模型整合了合金的筏化参数，包括：γ通道宽度w、γ'体积分数fγ'和微孔密度Np等参数，模型的预测误差<8%，模型显示Y浓度的适宜添加区间为300-600 ppm，该区间内的Y浓度能够平衡合金的强化与损伤，动力学分析表明Y使γ通道扩宽系数降低43.4%，而Gibbs自由能计算验证了能量释放与筏化速率的相关性。