热冲击下Al2O3/Fe-Al涂层界面微观结构演变与失效的温度依赖性研究

本研究针对定向凝固镍基高温合金DZ125在热处理过程中γ'相（γ'-precipitates）的粗化行为与硬度调控难题，系统探究了固溶温度（1220-1260°C）和冷却速率（水淬/炉冷）对γ'相形貌、面积分数（Aγ’）及硬度的影响。发现1240°C固溶结合炉冷可最大化提升硬度至470-480 HV，揭示了γ'相粗化动力学从表面LSW模型（Lifshitz-Slyozov-Wagner）向体相TIDC模型（trans-interface diffusion-controlled）的转变机制，为优化高温合金热处理工艺提供理论依据。

　　

在航空发动机和燃气轮机的核心部件制造中，定向凝固镍基高温合金因其优异的高温强度和抗蠕变性能成为不可替代的材料。然而，这类合金的性能高度依赖于其内部γ'强化相（Ni₃Al型金属间化合物）的尺寸、形貌和分布。当前工业界面临的关键挑战在于：如何通过精确控制热处理参数来调控γ'相特征，从而平衡材料的强度和塑性？特别是对于具有枝晶偏析特征的DZ125合金，其枝晶干（DCs）与枝晶间（IRs）区域的γ'相行为差异显著，传统热处理方案往往导致性能不均匀。

针对这一难题，西安交通大学材料性能纳米尺度表征与调控中心（CAMPNano）的Natthanicha Boonlert、Zhaowei Wang等研究人员通过系统的热处理实验结合微观表征，揭示了固溶温度与冷却速率对DZ125合金γ'相演变规律的定量影响。研究发现，在1220°C低温固溶时，枝晶间区域会残留未溶解的初生γ'相（~540 nm）与细小球形次生γ'相（~50 nm）共存；而当温度升至1240-1260°C时，次生γ'相转变为粗大的立方体形貌。更关键的是，冷却速率对γ'相尺寸梯度分布具有决定性作用：水淬样品表面形成细小γ'相（~158 nm），但硬度最低（430-440 HV）；而炉冷样品因充分扩散获得最大硬度（470-480 HV）。通过建立γ'相面积分数（A_γ’）与硬度的定量关系，团队首次发现γ'相粗化动力学存在空间异质性——表面区域符合经典的LSW模型（基体扩散控制），而体相区域则遵循TIDC模型（跨界面扩散控制）。这项发表于《Materials Characterization》的研究，为定向凝固合金的梯度热处理工艺开发提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：采用不同温度（1220-1260°C）的固溶处理结合水淬/炉冷等冷却方式；通过扫描电镜（SEM）定量分析γ'相尺寸分布和形貌演变；使用维氏硬度计测量硬度梯度；基于LSW和TIDC模型拟合γ'相粗化动力学参数。

【微观结构演变】
在1220°C固溶时，枝晶间区域存在未溶解的初生γ'相与次生γ'相双峰分布，而1240°C以上处理使次生γ'相显著粗化并立方体化。水淬导致表层γ'相尺寸（158 nm）较炉冷样品减小45%。

【硬度调控机制】
硬度与A_γ’呈正相关，炉冷样品因γ'相充分长大获得峰值硬度（480 HV），而水淬样品因快速凝固抑制扩散形成硬度梯度（表面至中心差异达40 HV）。

【粗化动力学】
粗化指数分析表明，表层γ'相粗化符合LSW模型（n=3），而体相区域更符合TIDC模型（n=2），说明界面扩散在体相粗化中起主导作用。

该研究通过建立热处理参数-γ'相特征-力学性能的定量关系图谱，不仅解释了传统热处理中硬度不均匀现象的本质原因，更创新性地提出"梯度热处理"概念——针对部件不同部位承受的应力特点，通过调控固溶温度和冷却速率实现γ'相的定制化分布。特别是1240°C固溶+炉冷工艺的优化方案，可使DZ125合金硬度提升11%，这对延长航空发动机涡轮叶片服役寿命具有重要意义。研究揭示的γ'相粗化动力学空间异质性规律，为发展多尺度计算模拟提供了关键实验依据，推动高温合金设计从"经验试错"向"理论预测"转变。