鎳基單晶高溫合金承溫能力高，并具有良好的綜合性能，被認為是先進航空渦輪發(fā)動機葉片最有前途的材料。在近20年間，先后成功研制出了不含Re的第一代、含Re3．0wt 和2．0wt 的第二代、含Re 6．0wt 的第三代和含Re并同時加入Ru的第四代單晶高溫合金。加入一定量的錸是先進單晶高溫合金一個最突出的特征。因錸可顯著提高單晶高溫合金蠕變性能，其對單晶合金的強化機理備受各國科研人員的關(guān)注和重視，在某些發(fā)達國家已取得了～定的科研成果，并使含錸的高性能單晶合金得到了應(yīng)用。如歐洲戰(zhàn)斗機EFA用發(fā)動機EJ2000和美國戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機ATF用發(fā)動機等先進發(fā)動機都采用含錸單晶合金，用于裝備波音777以及空中客車A380的發(fā)動機，其葉片也采用高性能含錸單晶合金。但迄今為止，對錸明顯提高單晶合金蠕變強度的原因、以及錸與其它合金元素的協(xié)同強化效應(yīng)的研究還不夠深入。當前，錸資源稀少、價格昂貴，各國都視其為戰(zhàn)略元素。為優(yōu)化單晶合金成分設(shè)計，充分利用錸的強化效應(yīng)，獲得高性能低成本單晶合金，有必要從本質(zhì)上研究錸的強化機理。本文綜述了錸在單晶合金中的強化機理，并探討了未來的研究方向。

1 錸的基本性質(zhì)

　　錸為銀白色金屬，在20℃ 時密度為21．0g／cms，熔點3180℃ ，屬高熔點金屬。錸的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，有良好的塑性，在高溫和低溫下不存在脆性，其抗拉強度及蠕變抗力優(yōu)于W、Mo、Nb。向難熔金屬添加錸，可提高材料的強度、塑性、焊接性能，并降低韌一脆轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶脆性。錸的上述作用被稱為錸效應(yīng)[1]。Re與Ni晶體結(jié)構(gòu)不同，所以Re在Ni中的溶解度很低 ]。在鎳基單晶合金的常用元素中，Re具有最低的擴散系數(shù)，其在Ni中的擴散系數(shù)比w 小1個數(shù)量級，比Ta小2個數(shù)量級，擴散系數(shù)Re％W％Mo％Co％Ta％Cr％Ti％A1~ 。

2 強化基體

　　在單晶合金中加入Re，對單晶合金最明顯的作用表象是固溶強化。研究表明 ]，錸主要分布于7基體相。A F Gi獅 4_首先研究了以1444合金為基礎(chǔ)，分別添加2wt 、4wt％、6wt Re的系列單晶合金，透射電鏡測試表明Re原子完全分布于7相中；P．Caronc ]也得到同樣的結(jié)論。但D_Blavette等[5 ]的研究卻表明，Re元素總有少量分布于7 相，且對于不同Re含量的合金，Re在v／v 兩相的分配比明顯不同。這些研究證明：盡管Re在不同合金中 7 兩相的分配比不盡相同，但是Re主要分布于7基體相是所有含Re單晶合金的共同特征。對1444等合金中的7相分析發(fā)現(xiàn)：Re原子的存在形式和Mo原子一樣，在基體中聚集[4]。對加入Re的CMSX-2和PWA148O合金的原子探針研究也證實在7基體中有Re原子簇的存在[5]。更為細致的研究表明：主要進入7基體的Re形成尺寸約為lnm的短程原子集團[4 ]。對于Re原子特殊存在形式研究的一個重要結(jié)論來源于U．Glatzel對CMSX-4合金的研究L7J，他發(fā)現(xiàn)Re原子大約以5個原子聚為一串，但不是在每個原子層面都有分布，而只是在某些原子層面上分布，其中3個原子處于同一原子面，其它2個原子分別處于這3個原子的上下方。最近有研究表明，Re原子的這種獨特存在方式與其具有特殊的電子軌道能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)[9]。這些研究以錸對單晶合金的固溶強化作用為基礎(chǔ)，從錸在基體的分布和存在形式出發(fā)，為解釋錸能顯著提高單晶合金承溫能力取得了一定的初步認識。錸主要分布于基體的性質(zhì)很大程度上降低了基體的SFE，使基體中位錯易于反應(yīng)形成擴展位錯，位錯的運動更加困難，強化了基體。同時錸在7基體相的大量溶解，勢必提高基體的再結(jié)晶溫度，減少基體中元素的擴散及基體與強化相之間的擴散，從而對基體起到顯著的固溶強化效果。另一方面．Re原子在基體中短程有序并立體分布的這種獨特存在形式，是7基體內(nèi)部位錯運動和元素擴散的主要障礙，使蠕變過程中位錯運動和元素擴散受阻于原子團，從而在很大程度上降低了合金的蠕變應(yīng)變速率。從這些研究結(jié)果來看，對Re在 基體中的特殊分布特征和存在形式的微觀研究還局限于某種單一實驗狀態(tài)，溫度、應(yīng)力、合金成分對它的影響研究甚為缺乏，有必要加強這方面的研究，以及詳細研究Re含量對Re原子在 基體中的分布特征和存在形式的影響，從而更準確地掌握Re提高性能的真實原因。

3 強化Y 相面心立方的 相作為單晶合金的強化相，其數(shù)量、尺寸和形態(tài)以及合金元素在其中所占據(jù)的原子位置，直接影響著單晶合金的性能。大多數(shù)的研究表明一 ，Re很少甚至幾乎不進入 ’強化相，但D．Blavetee等～ 的研究卻發(fā)現(xiàn)約有2O 的Re進入并強化 相。對于Re對 相數(shù)量的影響，不同的研究者

　　有著不同的結(jié)論。n Blavetee等一 發(fā)現(xiàn)Re的加入并沒有在較大程度上改變 相的體積分數(shù)。而P．Caron～ o]從實驗的系列合金中發(fā)現(xiàn)，Re含量最高的合金其 體積分數(shù)高。更為奇怪的是。有研究發(fā)現(xiàn)一 ：隨Re含量的添加， 相的數(shù)量略為減少。針對Re對 相尺寸、形態(tài)的影響，從不同的研究者對不同含Re合金的研究來看，盡管研究對象不同，但結(jié)論一致：由于Re的低擴散特性有效地阻礙了7 在熱處理過程中的長大，有利于獲得細小、規(guī)則的^y 相一 。對于少量進入7 相的Re原子在面心立方結(jié)構(gòu)中的位置研究，原子探針分析表明，與分配于 相中的Mo、W 原子一樣，Re原子優(yōu)先取代Al原子，處于面心立方的頂角位置一 。H．Murakami等_】 用其它方法對CMSX-4和TMS廣71合金的研究也得到同樣的結(jié)果。的筏排化是單晶合金蠕變過程中的一個重要現(xiàn)象，對性能有重大影響，得到了廣泛而深入的研究，但對于提高蠕變和持久性能的重要元素Re對7 筏排化的影響研究甚少。Frank．R．N．Nabarro指出 ：7’筏排化的驅(qū)動力正比于施加的應(yīng)力、兩相錯配度和兩相彈性模量差。Re的添加增大了單晶合金的錯配度，在一定程度上增加了筏排化的驅(qū)動力。T．Murakumo等l】 j也有同樣的觀點。由于筏排化的機理受擴散控制，筏排化的速率也受合金元素的擴散控制，對于單晶合金化元素中具有最低擴散速率的Re，雖然增加了7 筏排化的驅(qū)動力，但對7 筏排化擴散過程將產(chǎn)生強烈的陽礙作用。顯然，Re增加了的筏排化的激活能[ 。S Wdllrner”]以及G L Efickson等[ 的實驗也證實Re穩(wěn)定了單晶合金高溫持久過程中7 相的筏排化；K．Harris等 I_也一致認為：Re元素阻礙了^y 筏排化。但對Re元素阻礙7 筏排化的作用機理他們有著不同的觀點。K．Harris認為D g]，Re減小了兩相界面上原子的擴散動力，因此增加了合金微觀結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性．有效阻礙了 的粗化。D．B|avette一 和P．Warre~。 等卻認為，Re阻礙7 粗化的主要原因是Re原子在y／y 兩相界面的偏析阻礙了元素的擴散。從以上研究取得的成果來看，這些結(jié)果為理解和認識Re對單晶合金7 相組織的影響以及Re在單晶合金中的性質(zhì)提供了重要信息，但在解釋Re顯著提高單晶合金性能的原因上尚缺乏確信的證據(jù)。而且Re對合金某些組織上的影響對性能的貢獻并不清楚，如Re對 相數(shù)量的影響對合金蠕變性能的影響情況，Re影響了單晶合金中7 的尺寸和形態(tài)對合金性能的貢獻程度，以及7 相中的Re原子處于面心立方頂角位置的現(xiàn)象是否與Re強化7 相有一定的關(guān)系等。這些都是探索Re的強化機理需要深入研究的問題。此外，過去研究的對象大多局限于某一成分含Re的單晶合金，對于Re的含量與7 相的尺寸、形態(tài)、數(shù)量、原子分布及7 筏排化的關(guān)系研究比較缺乏，有必要通過單獨改變Re含量，研究其量的變化對7 相組織的影響。同時深入研究Re原子在7 相中的分布特征與合金中Re含量的關(guān)系。

4 強化Y／Y 兩相界面

　　單晶高溫合金的變形行為主要由y／y 兩相界面的特征決定l2 。由于^y／7 界面是蠕變變形的壁壘，Re對兩相界面原子狀態(tài)、兩相共格狀況以及界面位錯網(wǎng)的影響，決定著單晶合金的變形行為。J．R~sing等 。j用三維原子探針對Ni—Al—Ta—Re兩相合金熱處理后的試樣研究發(fā)現(xiàn)：在7 相內(nèi)，離界面1．5～2n的范圍，Re原子濃度突變，其濃度出現(xiàn)峰值。H．Murakam一]在CMSX-4合金中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。但Nelia Wanderka等l2IⅢ對CMSX_4熱處理后的試樣研究卻沒有發(fā)現(xiàn)Re原子在界面及其附近的富集。更奇怪的是，P．J．warren_2 使用能量補償?shù)娜S原子探針技術(shù)，在對RR3000單晶合金高溫蠕變和低周疲勞實驗后的試樣研究發(fā)現(xiàn)：在7相內(nèi)，有二次7 相析出，在靠近二次7 相和7 相筏排結(jié)構(gòu)的前沿有Re原子的堆積。進一步的研究發(fā)現(xiàn)Re原子是以溶質(zhì)原子形成的沖擊波存在于筏排結(jié)構(gòu)的前沿，而不是簡單的偏析在y／y 兩相界面。同時研究者推測，隨筏排化過程的進行，越來越多的Re原子在界面附近堆積，使形成的沖擊波不斷變寬，更加有效地抑制了7 相的筏排化l2 。這些研究探索了含Re單晶高溫合金Re原子在v／v 兩相界面附近富集的分布特征，為解釋合金元素Re提高單晶合金高溫蠕變性能提供了一定的證據(jù)；遺憾的是未揭示Re原子在T／T兩相界面的分布規(guī)律和原因，以及在原子擴散和位錯運動過程中Y／Y 兩相界面富集的Re原子的作用。A．F．Giamei等研究了-Re對y／y 兩相界面的影響 ]，并證實：隨Re含量的增加，7相點陣常數(shù)穩(wěn)定增加。P．Carof 0]的研究也證實：Re的加入將大大增加7的點陣常數(shù)，略微增加的點陣常數(shù)，從而使單晶合金的錯配度向負方向增大。日本科學(xué)家H．Harada ]認為，增加合金的負錯配是Re提高單晶合金蠕變強度的主要原因。對具有優(yōu)異蠕變性能的TM&82+合金研究發(fā)現(xiàn)，獲得優(yōu)異蠕變性能的主要原因是：大的負錯配加速了筏排結(jié)構(gòu)和細密的位錯網(wǎng)的形成，從而阻礙了位錯運動，尤其是阻礙了位錯向 的切割l2 。對TM&75系列單晶合金的最新研究表明：7／7 兩相界面位錯網(wǎng)的細密程度決定了蠕變性能的優(yōu)劣，位錯網(wǎng)越細密蠕變速率越低；界面位錯網(wǎng)的抗力阻礙了來自基體的滑移位錯滑過y／y 相界面，從而阻礙了位錯對7 筏排組織的切割l2 。這一研究結(jié)果為增加合金的負錯配是Re提高單晶合金蠕變強度的主要原因提供了一個重要證據(jù)。但P．Caron的研究L1 0J卻認為：錯配度對于合金蠕變強度的影響并不清楚，單晶合金的錯配度在一定溫度和應(yīng)力環(huán)境下所起的作用復(fù)雜，特別是7 相在特定的溫度和應(yīng)力下，筏排化開始及以后的過程中，錯配度所起的作用和機理很不清楚，這意味著Re增加單晶合金的負錯配不一定是Re強化合金的根本原因。A．C．Yeh通過對加人Re和Ru的單晶合金研究發(fā)現(xiàn)：增加合金的錯配度確實可以獲得細密的位錯網(wǎng)。但通過提高錯配度而獲得的細密位錯網(wǎng)對增加合金蠕變壽命的貢獻不一定大。這也證實Re提高合金的錯配度不一定是Re提高蠕變性能的主要原因。盡管許多研究者從Re可能存兩相界面的集聚以及Re提高界面錯配度兩方面對Re強化兩相界面進行r一定的研究，今后的細致研究提供了值得借鑒的思路和方法，然而從已發(fā)表的文獻來看，對于Re在兩相界面是否集聚的現(xiàn)象研究存在矛盾，對于Re增加合金的負錯配、促進界面位錯網(wǎng)的形成是否是Re提高單晶合金蠕變強度的主要原因的研究也甚為缺乏。所以，將來的一個研究方向是研究Re在兩相界面的分布情況，以及Re原子的分布與位錯運動的關(guān)系。探索Re對錯配度的影響對合金強度的貢獻。

5 討論

　　從Re在高溫合金中的首次添加至今，對Re強化機理的研究一直是高溫合金研究的一個焦點。從已見的文獻來看，對Re在單晶高溫合金中的強化機理的觀點主要有4種：①Re原子在基體的主要分布和以原子團的特殊存在形式，對7的固溶強化、降低基體的堆垛層錯能以及阻礙基體位錯運動是Re強化單晶高溫合金的關(guān)鍵原因；② 少量分布于7 相的Re原子取代了A1原子的位置，大大增加了7 相的反向疇界能，使位錯切割7 相更加困難，這種觀點認為Re強化了7 相是Re提高合金性能的主要因素；③Re的加入，Re原子在兩相界面附近堆積，阻礙7相的筏排化是Re強化單晶高溫合金主要方面；④Re的添加大大增加了7相的點陣常數(shù)，使v／v 兩相界面有大的負錯配度，同時在兩相界面上具有細密的位錯網(wǎng)，對v／v 兩相界面的強化是含Re單晶合金性能得到提高的最直接原因。這些觀點表明不同科研工作者對Re強化單晶合金的機理的認識存在較大分歧。不過，這些研究具有共同特點：研究對象局限于某一類含Re單晶合金，研究內(nèi)容局限在與合金性能相關(guān)的某一單方面微觀組織特征，得到的結(jié)論大都只是揭示了某一類合金的某一方面的特征，這對于解釋Re提高單晶合金性能原因存在較大局限性。另外，有的研究者在對Re強化單晶合金的機理的解釋上尚屬推測。對于單晶高溫合金，在溫度和應(yīng)力作用下，無論是7 的粗化還是位錯的運動都與合金元素的擴散息息相關(guān)l1 。合金元素的擴散決定了單晶高溫合金微觀結(jié)構(gòu)的變化與機理 ]。在鎳基單晶合金中，Re元素對合金元素擴散過程的影響可能有以下幾個方面。(1)其低擴散系數(shù)和高的擴散激活能，導(dǎo)致自身原子的運動異常困難，同時增加了其它種類合金元素的擴散激活能。(2)大的原子半徑，使其它種類合金原子遷移繞過的能量增加，從而延緩了合金元素的擴散。(3)特殊的電子軌道能帶結(jié)構(gòu)使其與Mo原子或自身原子結(jié)合形成短程有序的Mo-Re、Re-Re原子團，這種存在方式減少了合金元素的原子擴散通道。對合金元素擴散影響更為重要的是，在7基體中的Re原子團可能不是均勻分布在單個原子層面上，而是以一種立體方式存在，這種特殊的存在方式可能使附近的原子擴散所需要的能量急劇增加。而這樣對合金元素擴散形成的主要障礙，在很大程度上將降低合金的蠕變應(yīng)變速率。(4)Re形成的原子團集聚在兩相界面附近的7基體中，如同在7基體邊緣附近建立了一周柵欄，形成了兩相間原子擴散的屏障，有效阻礙了兩相間原子的互擴散。Re對單晶合金蠕變強度的提高是通過影響合金元素的擴散來實現(xiàn)的，所以將來一項重要的研究內(nèi)容是研究Re對單晶高溫合金元素擴散及合金元素再分布的影響機制和規(guī)律。這也是尋求Re強化單晶合金真實原因的關(guān)鍵。從2O世紀8O年代，大多數(shù)國家就已經(jīng)認識到Re在高溫合金的突出作用，以及在航空渦輪發(fā)動機葉片材料中的重要地位。但由于Re高昂的價格以及問題的復(fù)雜性，到目前為止，對Re在單晶高溫合金中的強化機理研究也僅在少數(shù)發(fā)達國家，如美、英、德、法、俄羅斯及日本等國家的少數(shù)國防航空科研單位開展。以CMSX一4合金為代表的含Re第二代單晶高溫合金在軍用、民用飛機上的應(yīng)用，以及分別以CMSX一10、MC-NG合金為代表的第三代、第四代含Re單晶高溫合金的成功研制表明，這些發(fā)達國家對于Re在單晶高溫合金中的強化機理的研究已取得一定成績?；趯e在單晶高溫合金中的重要作用的重視，為縮短與發(fā)達國家航空技術(shù)的差距，在“九五”期間，我國北京航空材料研究院對Re的強化機理亦進行了初步探索。雖然起步比發(fā)達國家晚lO～15年，但在此期間，我們成功研制出了符合我國國情的低成本、高性能含Re單晶合金DD6合金。該合金含Re量僅為2wt ，其性能達到甚至在某些方面超過國外含Re量3wt 的第二代單晶合金水平，也是目前我國承溫能力最高、綜合性能最好的高溫合金。值得一提的是，由該合金制造的我國第一臺份單晶渦輪空心葉片近期已裝備某先進航空發(fā)動機，并進行了試車考核。盡管如此，由于Re高昂的價格以及合金成分的不易控制，在很長一段時期內(nèi)，對Re在單晶高溫合金的強化機理研究開展得不多，直到現(xiàn)在，對Re在單晶高溫合金中的強化機理的認識也很不深入，存在諸多矛盾與不明之處。無論是從Re在單晶合金中的作用機理的認識還是Re在合金中的應(yīng)用水平來看，我國與發(fā)達國家相比還存在一定差距。當然，不管是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，Re的高昂價格都是開展Re強化機理及應(yīng)用研究的重要制約因素；同時也是含Re高性能單晶合金在先進航空發(fā)動機中得到廣泛應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。

6 結(jié)束語

　　Re在單晶高溫合金中的強化機理研究現(xiàn)狀表明，Re元素在單晶合金中的強化機理的研究仍存在很多疑點。為優(yōu)化單晶合金成分設(shè)計，充分利用Re的強化效應(yīng)，獲得高性能低成本單晶合金，有必要從以下幾方面展開詳細研究：

　　(1)研究Re對 7 相微觀結(jié)構(gòu)及組織穩(wěn)定性的影響。

　　(2)研究熱處理、持久蠕變未斷及斷裂不同狀態(tài)下Re在7、7 兩相中的分布特征和存在形式。

　　(3)研究Re對 相筏排化過程的影響規(guī)律。

　　(4)從位錯的起源、發(fā)展、運動方面探討Re對位錯運動的影響。

　　(5)研究Re與其它合金元素相互作用及高溫蠕變過程中合金元素運動規(guī)律。

　　(6)以Re的強化機理為指導(dǎo)，探索新型低成本高性能單晶合金的設(shè)計思路和方法。