溶液温度与冷却速率调控DZ125镍基高温合金γ'相粗化机制及硬度演变规律

本研究针对定向凝固镍基高温合金DZ125，系统探究溶液温度(1220-1260°C)和冷却方式(水淬/炉冷)对γ'相(γ'-precipitates)形貌、粗化行为及硬度的调控机制。发现1240°C溶液处理结合炉冷可优化γ'面积分数(Aγ’)至470-480 HV，揭示粗化动力学从表层的LSW(扩散控制)向体相的TIDC(界面扩散控制)转变规律，为航空发动机叶片热处理工艺提供理论支撑。

　　

在航空发动机涡轮叶片等极端环境服役的关键部件中，镍基高温合金的力学性能直接决定着设备寿命。作为典型强化相的γ'相(Ni₃

西安交通大学材料性能纳米尺度表征中心(CAMPNano)暨材料力学行为国家重点实验室的Natthanicha Boonlert、Zhaowei Wang等研究人员，在《Materials Chemistry and Physics》发表论文，通过设计梯度热处理实验，结合先进的显微表征技术，揭示了DZ125合金中γ'相粗化的动态调控机制。研究采用1220-1260°C区间溶液处理配合水淬/炉冷等冷却方式，结合显微硬度测试、扫描电镜(SEM)分析和粗化动力学模型拟合，系统评估了工艺参数-组织-性能的关联规律。

关键技术方法包括：1) 梯度热处理实验设计(不同深度取样)；2) 扫描电子显微镜(SEM)表征γ'相形貌；3) 维氏硬度梯度测试；4) Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)和trans-interface diffusion-controlled(TIDC)模型拟合分析。

【显微组织演化】
溶液温度显著影响γ'相溶解-再析出行为。1220°C处理时枝晶间区(IRs)残留未溶解的初级γ'相(~540 nm)与球形二次γ'相(~50 nm)共存；1240-1260°C处理则获得更粗大立方化的二次γ'相。水淬样品表层γ'相尺寸(~158 nm)较炉冷样品减小40%，证实冷却速率对扩散动力学的调控作用。

【硬度性能关联】
γ'面积分数(A_γ’)与硬度呈正相关，炉冷样品硬度峰值(470-480 HV)比水淬样品(430-440 HV)提升9%。1240°C处理样品表现出最优硬度梯度，归因于优化的γ'相尺寸分布与界面强化效应。

【粗化机制转变】
模型拟合发现粗化动力学存在深度依赖性：表层区域符合LSW模型(R³∝t，扩散控制)，而体相区更符合TIDC模型(R²∝t，界面扩散控制)，这种转变与冷却过程形成的温度梯度密切相关。

该研究首次在定向凝固合金中揭示了热处理参数诱导的γ'相粗化机制转变现象，为航空发动机叶片梯度热处理工艺开发提供了重要理论依据。特别是提出的"高温溶液+缓冷"工艺方案，可实现γ'相尺寸与分布的精准调控，对提升高温部件服役性能具有重要工程价值。研究建立的工艺-组织-性能关联模型，还可推广至其他沉淀强化型合金体系的热处理优化。