近日，海南大学的研究团队在镍基超级合金的晶界强化机制研究中取得重要进展。研究成果发表在国际期刊 Journal of Alloys and Compounds 上，题为 “The roles of P/B-addition in tailoring δ-phase-enhanced grain boundaries in a nickel-based superalloy” （DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.176484），第一作者为湖南大学博士生武静，通讯作者为海南大学教授陈江华和谢盼。

1.背景介绍

镍基超级合金因其优异的高温性能而广泛应用于航空航天和能源领域。然而，传统的镍基合金在高温下容易出现晶界脆化和断裂，限制了其应用性能。针对这一难题，研究团队通过在合金中复合添加磷（P）和硼（B）元素，探索改善晶界析出相行为的新方法，以提高合金的高温强度与韧性。

2.主要内容与亮点

研究团队采用原位扫描电子显微镜（SEM）技术，在650°C下对不同处理的镍基合金进行拉伸测试，观察其应力-应变曲线和断裂形态。结果显示，P/B复合添加合金（PBC）抗拉强度为772 MPa，延展率为67%，显著优于未添加磷硼合金（PBF）的653 MPa和57%。

图1 （a，b）650°C时PBF与PBC合金的力学性能；（c，d）PBF与PBC合金的断裂形态。

晶界析出物形态变化：通过HAADF-STEM成像，研究团队发现PBC合金中的晶界析出行为发生了显著变化。从无P/B合金中连续的δ相“薄膜”转变为不连续的多相析出相。这种微观结构的转变有效提高了合金的高温性能，减少了脆性断裂的风险。

图2 PBF与PBC合金在不同热处理状态下的晶界析出物形貌对比。(a,d) ST处理的PB和PBC合金SEM形貌像；(b,e) STA-12h-处理的PBF和PBC合金的晶界形貌；(c,f) STA-12h-处理的PBF和PBC合金高倍率下的晶界析出相形貌。

析出物的成分与结构：研究揭示，PBC合金中的多相析出相包括含P的C14 Laves相和含B的MC型碳化物。这些析出相在晶界的分散化和细小化，有助于阻碍位错的移动，从而提升合金的抗断裂强度。

图 3 STA-12h处理后PBC合金样品中晶界碳化物的原子分辨成像和元素分布

图4 PBC合金晶界Laves相的原子分辨成像和元素分析

析出序列：随着时效处理时间的延长，PBC合金中的析出顺序为：首先形成小的δ相析出相，然后是碳化物，最后出现Laves相。这一序列显示了P和B在析出过程中的重要作用，尤其是在早期阶段，P在初始析出相中富集，而B则主要集中在后期生成的析出相中。

图5 晶界碳化物和Laves相中磷（P）和硼（B）元素的分布

3.总结与展望

该研究的重要发现为开发高性能镍基超级合金提供了新的思路。研究人员指出，适当的P和B复合添加能够显著改善合金的晶界析出相析出行为，进而提高其高温力学性能。