稀土元素（REEs）在镍基单晶高温合金（Ni-SXs）中具有双重强化效应，但传统的强化机制往往不适用于无晶界的Ni-SXs。且高浓度REEs才会改性γ'相，与数十至数百ppm的微量REEs显著提升蠕变寿命的现象矛盾。稳态蠕变速率与γ/γ'界面位错网演化和γ'相内超位错行为密切相关，而REEs对位错网络及a<100>超位错攀移行为的影响尚未明确，影响了定向优化合金的蠕变抗力进一步研究。

近日中科院金属所的研究人员通过阐明稀土钇(Y)对镍基高温合金在1100℃/90MPa的蠕变过程中原子扩散和位错回复的影响，揭示了Y对蠕变过程中两者的影响机制。相关研究以“Inhibiting dislocation recovery via yttrium-induced diffusion barriers: A novel strategy for creep resistance in Ni-based single crystal superalloys”为题被发表在材料领域的短篇期刊《Scripta Materialia》上。通讯作者为中科院金属所李金国研究员和刘纪德老师。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.117122

【核心内容】

该研究在DD5镍基单晶高温合金上添加0.20 wt.%的稀土Y，发现了其在1100℃/90 MPa高温蠕变条件下稀土Y会优先偏聚于γ'相并形成扩散屏障，从而使γ基体、γ'相和位错芯部的原子扩散率分别被降低75.29%、19.66%和81.9%。并且稳态蠕变速率和最小蠕变速率分别从2.5×10⁻⁴ s⁻¹和2.13×10⁻⁴ s⁻¹被降低到了0.5×10⁻⁴ s⁻¹和0.12×10⁻⁴ s⁻¹。

图形摘要

【研究成果】

① 核心性能突破

研究发现，微量Y掺杂能够使DD5合金在1100℃/90 MPa的高温低应力条件下的稳态蠕变速率从2.5×10⁻⁴ s⁻¹降低到0.5×10⁻⁴ s⁻¹，其被降低了80%，而最小蠕变速率能够从2.13×10⁻⁴ s⁻¹被降低到0.12×10⁻⁴ s⁻¹，该降幅超过94%。

1100°C/90 MPa下蠕变测试结果

② 关键微观效应

这项研究首次揭示了稀土Y在高温蠕变过程中会优先偏聚于γ'相而形成扩散屏障，并且使γ基体、γ'相和位错芯部的原子扩散率分别被降低75.29%、19.66%和81.9%。同时抑制了a<100>超位错密度从0.93 μm⁻²降低到了0.09 μm⁻²，稳定γ/γ'界面致密平直位错网。

1100°C/90 MPa下测试350小时后，中断蠕变测试的微观结构

超位错a<100>切割穿过00DD5合金中的γ′筏

超位错a<100>切割穿过32DD5合金中的γ′筏

③ 核心机制揭示

研究提出了一种“Y诱导扩散屏障，抑制扩散介导位错回复”的新型强化机制，解决了传统稀土强化机制不适用于无晶界镍基单晶高温合金的问题。

γ/γ′界面的APT分析

【总结与展望】

该研究通过掺杂微量钇（Y）元素，在第二代镍基单晶高温合金中构建扩散屏障，显著抑制了原子扩散和a<100>超位错回复，提升了高温镍基合金的高温抗蠕变性能。进一步地，可以继续拓展稀土元素种类和掺杂比例研究，探索其在更苛刻的服役工况下的应用潜力，以推动航空航天等领域中高温结构材料的性能突破。