镍基单晶高温合金因其卓越的性能，已广泛应用于航空发动机、燃气轮机、涡轮叶片和导向叶片等重要零部件。在涡轮叶片等零件的实际制造中，多采用定向凝固方向为［001］取向的镍基单晶高温合金［1］。但由于叶片构造复杂以及服役环境恶劣，叶片在服役过程中会产生较宽的温度梯度、局部多方向的轴向应力和热应力而造成损伤［2-3］，因此叶片的受力方向常会出现一定程度的偏离。并且为了避免发动机发生共振，考虑使用非轴向叶片，即叶片的轴向偏离［001］取向一定角度［4-7］。因此，对偏离［001］取向一定角度的镍基单晶高温合金力学性能的研究十分重要。叶片的离心应力导致的蠕变损伤是单晶涡轮叶片的主要失效机制之一［7-9］。发生蠕变时所加的应力一般小于拉伸屈服强度，应变速率很小，在10-10~10-3 s-1范围内，高温合金发生明显蠕变变形的下限温度为0.56Tm［7］。镍基高温合金中的γ′相主要为L12结构的Ni3（Al，Ti）相［10-12］。在高温蠕变期间，γ′相会沿某一特定取向发生明显的定向粗化，形成筏状组织，这是镍基单晶合金特有的现象［13］。因此镍基单晶高温合金具有蠕变各向异性，故叶片的蠕变行为与轴向偏离方向密切相关。为此，综述了偏离［001］取向角度对单晶高温合金蠕变行为影响的研究，以期为航空发动机部件的材料研发与制造提供参考。1取向偏离对蠕变变形过程的影响镍基单晶高温合金的蠕变变形过程一般可分为3个阶段［14］。第一阶段是初级蠕变阶段，其为应变速率随时间下降的阶段；第二阶段是高温合金经历稳定应变速率的使用寿命期；第三阶段应变速率急剧增加，直至断裂。YU J等［15］研究了取向偏离对DD6镍基单晶高温合金蠕变性能的影响，发现在760 ℃和785 MPa下，在偏离［001］方向的20°范围内，与试样A1（偏离［001］4°）和I1（靠近［001］-［011］边界17°）的值相比，试样D1（靠近［001］-［111］边界11°）和G1（靠近［001］-［111］边界17°）的主要蠕变应变非常高，见图1。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F001图1DD6单晶高温合金在760 ℃和785 MPa下的蠕变曲线［15］Fig.1Creep curves of DD6 single crystal superalloy at 760 ℃ and 785 MPa［15］SASS V等［16］发现第一阶段的蠕变速率对［001］的微小偏离非常敏感。MACKAY R A等［17-18］认为，在［001］、［011］、［111］取向的标准立体投影三角形中，在偏离［001］取向25°范围以内，取向靠近［001］-［011］边界的晶体具有较低的稳态蠕变速率，而靠近［001］-［111］边界的晶体具有较大的蠕变速率。HEEP L 等［19］研究了在中温高应力下CMSX-4型的镍基单晶高温合金的拉伸蠕变行为，发现当反应位错由Peach-Köhler力驱动时，会产生高蠕变率。李一飞［20］采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和电子背散射衍射技术（EBSD）等方法对第3代DD33镍基单晶高温合金在高温低应力以及中温高应力条件下的蠕变行为进行研究。选取了θ角约12°，ρ角分别为4°、20°和38°的单晶试样A、B、C以及ρ角约4°，θ角分别为17°和18.8°的单晶试样D、E；θ角约12°，ρ角为4°、17°、42°和38°的单晶试样M、N、O、P以及θ角约为14°，ρ角为4°和38°的单晶试样L、Q。图2和表1分别为1 100 ℃×150 MPa条件下偏离［001］取向10°~20°试样A~E的蠕变应变速率-应变曲线和蠕变结果。可以看出，偏离［001］取向10°~20°试样与［001］取向试样的稳态蠕变速率基本相同，未表现出明显的蠕变速率差异。图3和表2分别为850 ℃×650 MPa条件下偏离［001］取向10°~15°试样（L~Q）的蠕变应变速率-应变曲线和蠕变结果。可以看出，在中温高应力下，θ角相近而ρ角不同的试样具有完全不同的初始蠕变应变（ɛp）、初始蠕变应变速率（ɛ˙p）和稳态蠕变速率（ɛ˙s）；靠近［001］-［011］边的试样L和M具有最低的ɛp、ɛ˙p和ɛ˙s。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F002图2在1 100 ℃×150 MPa条件下偏离［001］取向10°~20°试样A~E的蠕变应变速率-应变曲线［20］Fig.2Creep strain rate-strain curves of specimens A to E with 10°~20° deviation from ［001］ orientation at 1 100 ℃ and 150 MPa［20］10.15980/j.tzzz.2024.03.003.T001表1偏离［001］取向10°~20°试样A~E在1 100 ℃/150 MPa条件下的蠕变结果［20］Tab.1Creep results of specimens A to E with 10°~20° deviation from ［001］ orientation at 1 100 ℃ and 150 MPa［20］试样θ/（°）ρ/（°）ɛ˙s/（10-7 s-1）A12.543.8B12.2203.6C12.1383.2D17.035.5E18.852.010.15980/j.tzzz.2024.03.003.F003图3在850 ℃×650 MPa条件下偏离［001］取向10°~15°试样L~Q的蠕变应变速率-应变曲线［20］Fig.3Creep strain rate-strain curve of specimens L to Q with 10°~15 ° deviation from ［001］ orientation at 850 ℃ and 650 MPa［20］10.15980/j.tzzz.2024.03.003.T002表2偏离［001］取向10°~15°试样L~Q在850 ℃×650 MPa条件下的蠕变结果［22］Tab.2Creep results of specimens L to Q with 10°~15° deviation from ［001］ orientation at 850 ℃ and 650 MPa［22］试样θ/（°）ρ/（°）ɛp/%ɛ˙p/（10-6 s-1）ɛ˙s/（10-7 s-1）L13.940.572.63.1M12.540.713.33.2N11.7170.488.27.2O12.2421.35145.5P12.1381.66248.1Q14.4381.822610RAE C M F等［21-23］指出，在较低的温度（如750 ℃或850 ℃），偏离［001］取向20°以内的晶体，第一阶段的蠕变程度高度依赖于合金对于［001］-［011］边界的微小偏离。在较高温度（如950 ℃），蠕变变形与偏离的角度关系不大。在750~850 ℃条件下，偏离［001］取向20°范围内，初始阶段蠕变强烈依赖于合金对［001］-［011］取向的偏离程度。取向靠近［001］-［011］的合金，由于不容易形成a［112］位错带而具有较低的初始蠕变应变。而取向靠近［001］-［111］的合金，由于a［112］位错带大量切割γ′相，表现出较大的初始蠕变应变。GUNTURI S S K 等［24］对镍基单晶高温合金CMSX-4在750 ℃下进行了恒载蠕变试验，发现了相反的结果。在远离［001］-［111］边界方向具有高的蠕变速率，而靠近方向具有相对较低的初始蠕变速率。综上，可以得出镍基单晶高温合金偏离［001］取向对蠕变变形的大致规律：在高温（低应力）条件下，取向偏离角在不超过［001］20°~25°范围内对镍基单晶高温合金蠕变行为的影响较小，基本与［001］取向试样蠕变变形相同；中温（高应力）条件下，取向偏离［001］且靠近［011］方向的镍基单晶高温合金蠕变程度与蠕变速率比偏离［001］取向且靠近［111］方向的更低，抗蠕变性能更优良。偏离［001］取向且靠近［111］取向的镍基单晶高温合金可能由于产生了较多的a［112］位错带并且切割γ′相，从而导致蠕变程度较大。2取向偏离对蠕变寿命的影响LEVERANT G R 等［6］认为，随着偏离［001］取向角度的增加，蠕变寿命显著缩短。岳珠峰等［25］提出一种双参数蠕变损伤模型用以模拟DD3镍基单晶合金叶片的寿命。设定的环境参数为温度由叶根的538 ℃上升到叶尖的964 ℃，叶片承受45 000 r /min的离心力，叶片下端固定。图4为叶片寿命随角度α（当α=0时，晶体取向严格为［001］）的变化规律。研究发现，随轴向偏角的增大，寿命的分散性变大，当偏离角度达15°时，寿命相差6倍。两个不受控的晶体取向变化时，寿命有50%的变化。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F004图4叶片不受控取向偏角α对蠕变寿命的影响［25］Fig.4Influence of uncontrolled orientation angle α of blade on creep life［25］CHATTERJEE D 等［26］发现在高温低应力下，［001］单晶在初始阶段几乎80%的蠕变寿命的蠕变应变在1%以内。当温度不变时，tr（断裂寿命）随应力的对数线性减小。此外，在不同的应力值下得到的蠕变曲线显示，在特定的t/tr下，蠕变应变量相似，这一观察结果可用于估算典型的长时蠕变寿命。YU J等［15］同样研究了取向对DD6镍基单晶高温合金蠕变寿命的影响，发现在760 ℃和785 MPa下，在偏离［001］方向的20°范围内，［001］方向和［001］-［011］边界比［001］-［111］边界有更长的蠕变寿命。SASS V等［16］发现靠近［001］-［011］边界的持久寿命优于靠近［001］-［1¯11]边界。张泽海等［4］在［001］取向的Ni-Co-Cr-Mo-W-Al-Ti-Ta镍基单晶高温合金板坯上切取偏离［001］取向一定角度的试样，偏离度在20°以内，试验结果见表3。可以看出，除A1（偏离［001］4.4°）和A8（偏离［001］19.0°）的蠕变寿命较短外，其他各角度的试样均具有较长的蠕变寿命。在750 ℃×750 MPa的中温高应力下，偏离不同角度的试样均获得了较长的蠕变寿命和较低的蠕变伸长率。图5为中温高应力条件下偏离［001］取向不同角度合金的蠕变曲线，可见进入稳态阶段之后取向偏离对整体的蠕变寿命影响不大。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.T003表3偏离［001］取向一定角度蠕变试验结果［4］Tab. 3Creep results deviated at a certain angle from ［001］ orientation［4］试样编号偏移角/（°）蠕变条件蠕变寿命/h伸长率/%θρA14.415.5750 ℃×750 MPa365.64.5A28.118.8750 ℃×750 MPa657.011.5A310.78.5750 ℃×750 MPa1 000.0停止7.5A411.616.9750 ℃×750 MPa700.1停止10.7A518.740.2750 ℃×750 MPa700.2停止10.0A618.517.1750 ℃×750 MPa700.0停止9.0A711.85.5750 ℃×800 MPa714.013.6A819.023.5750 ℃×800 MPa234.718.910.15980/j.tzzz.2024.03.003.F005图5750 ℃×750 MPa条件下不同取向蠕变曲线［4］Fig.5Creep curves of different orientations at 750 ℃ and 750 MPa［4］李一飞［20］在中温高应力（850 ℃×650 MPa）下发现第三代镍基单晶高温合金DD33在靠近［001］-［011］边界的试样具有高的蠕变寿命，而远离［001］-［011］边界的合金具有短的蠕变寿命；在高温低应力（1 100 ℃×150 MPa）下，蠕变寿命受偏离［001］取向角度的影响较小。李钢等［27］研究了一种偏离［001］取向15°的镍基单晶高温合金的中温蠕变（760 ℃×793 MPa）的蠕变性能。结果表明，取向靠近［001］-［101］边界合金的蠕变寿命最长，而靠近［001］-［111］边界合金的蠕变寿命最短，见图6。虽然取向偏离［001］的夹角都约为15°，但取向靠近［001］-［101］边界试样的变形主要受控于｛111｝［110］滑移系，而取向靠近［001］-［111］边界试样变形主要受控于｛111｝［112］滑移系。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F006图6DD413在760℃×793 MPa下的应变-时间曲线（A为取向靠近［001］-［101］边界的试样，B为取向位于反极图内部的合金试样，C为取向靠近［001］-［111］边界的试样）［20］Fig.6Strain-time curves of DD413 at 760 ℃ and 793 MPa ［20］SASS V等［16］对偏离［001］取向1°、8°、10°及14°的CMSX-4型镍基单晶高温合金在800 ℃下的蠕变行为进行了研究，发现晶体偏离［001］方向8°时，其蠕变寿命明显缩短，当偏离角度为10°时，其蠕变寿命进一步降低，但当偏离角度为14°时，合金的蠕变寿命明显延长。孙永辉等［28］利用扫描电镜和透射电镜研究了不同取向偏离度下DD6单晶高温合金的中温蠕变性能及微观机制，见图7。结果显示取向偏离6°的合金在中温蠕变期间，次滑移系开动容易，合金近断口区域切入γ′相的超位错和堆垛层错具有不同取向，蠕变寿命高（约为243 h）；而偏离7°的合金次滑移系开动困难，超位错和堆垛层错具有单一取向，仅有主滑移系开动，γ/γ′两相界面处的应力集中无法被有效释放，裂纹在该区域聚集并相互连接形成宏观裂纹，导致合金蠕变寿命急剧缩短（约为40 h）。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F007图7不同取向偏离度合金在760 ℃×810 MPa下的蠕变曲线［28］Fig.7Creep curves of alloys with different orientation deviation at 760 ℃ and 810 MPa［28］ZHANG S 等［29］在975 ℃×255 MPa下测试了某种第一代单晶合金的蠕变断裂性能，发现偏转方向远离［001］的试样大致沿投影三角形中［001］-［011］和［001］-［1¯11］边界之间的一条线分布。当偏转角度超过30°时，断裂寿命迅速缩短，并且在蠕变过程中观察到晶格旋转。旋转过程可分为两个步骤，首先朝向［001］-［1¯11］边界旋转，然后沿着边界朝向［001］或［1¯11］旋转。当与［001］的方向偏差度超过约25°时，初始蠕变阶段以单滑为主，且存在强烈的非对称变形。KEAR B H 等［30］对第一代MAR-M200镍基单晶高温合金进行的试验表明，取向对982 ℃下的蠕变寿命影响较小。在760 ℃时，［001］取向具有最佳蠕变寿命，而在872 ℃和982 ℃时，［111］取向显示出最佳蠕变寿命。综上，在中温高应力下，取向靠近［001］-［011］边界的晶体具有较高的蠕变寿命，而取向靠近［001］-［111］边界的晶体具有较低的蠕变寿命；在高温低应力下，晶体的蠕变寿命各向异性较小。对于取向角度相差不大的晶体（仅相差1°~5°）或偏离［001］特定角度的晶体的蠕变寿命变化需要进一步研究。3蠕变变形机制SASS V等［16］对镍基单晶高温合金CMSX-4在800 ℃时偏离［001］不同取向的蠕变变形行为进行了研究，发现对于单晶，容易滑动的变形会导致试样轴朝滑动方向移动。在750～850 ℃内，镍基单晶高温合金一次蠕变的主要变形机制是γ′粒子通过｛111｝［112］滑移的协同剪切。所有测试晶体的试样轴旋转方向与｛111｝［112］滑移变形单晶的典型旋转方向一致。只有在达到双滑移边界［001］-［011］或［001］-极点后，才会激活二次滑移系统。交滑移导致材料发生形变强化，并被认为引发了从一次蠕变到二次蠕变的转变。在二次蠕变过程中，主要变形机制由｛111｝［112］单滑移转变为｛111｝［110］多滑移。因此，主要蠕变应变的大小取决于达到发生多滑移所需的晶格旋转量。CARON P等［31］研究了CMSX-2在760 ℃和750 MPa下的蠕变变形行为。发现当γ′尺寸为0.45 μm时，基体中因［110］｛111｝多次滑移作用，导致γ/γ′界面迅速形成密集的位错网络。致密的位错网络能抑制位错剪切成γ′相。当γ′相尺寸减小到0.23 μm时，蠕变机制主要为［112］位错剪切γ/γ′界面和1/3［112］位错，其中超晶格部分位错被内、外层错分离，切入γ′相。有研究者认为开动［112］｛111｝滑移系并形成层错是中温高应力蠕变，特别是蠕变初始阶段的重要变形机制［32］。李一飞［20］研究了试样L（θ=13.9°，ρ=4°）、N（θ=11.7°，ρ=17°）和P（θ=12.1°，ρ=38°）在中温高应力850 ℃×650 MPa条件下蠕变断裂后的位错组态，见图8。可以看出，在中温高应力下，靠近［001］-［011］边界的试样开动了两组［112］｛111｝滑移系，但层错密度较低，可以产生一定的加工硬化作用，具有较好的性能，而远离［001］-［011］边界的试样仅开动一组［112］｛111｝滑移系，且层错密度很高，会产生很高的初始蠕变应变，加大蠕变速率，对性能不利。因此，与更靠近［001］-［1¯11］边界的晶体相比，靠近［001］-［011］边界的晶体表现出更好的蠕变强度。10.15980/j.tzzz.2024.03.003.F008图8850 ℃×650 MPa蠕变断裂后的位错组态［20］Fig.8Dislocation configuration of specimens after creep fracture at 850 ℃ and 650 MPa ［20］林栋梁等［33］发现在中温时，细小γ′体积分数和尺寸都随固溶温度的升高而增大。当固溶温度升高时，第二阶段蠕变率降低，持久寿命延长，大幅提高合金的抗蠕变性能。因此认为合金的中温蠕变性能取决于细小γ′的体积分数，尺寸及其间距。但也有研究者认为高温蠕变的特征之一是γ′的迁移，这可能会降低蠕变的各向异性［34］，提高了材料的抗蠕变能力［35］，这与中温情况中γ′相尺寸影响蠕变情况不同［36］。在高温环境下，γ′相迅速发生筏化［37］，Orowen应力减小，而基体通道的宽度增加，位错运动变得更容易，降低蠕变的各向异性。综上，偏离［001］取向度较小的Ni基单晶高温合金的蠕变行为受温度、应力以及变形机制的影响。在中温条件下，取向偏差变化对单晶高温合金的蠕变行为影响显著，而高温下则影响较小。4结语及展望镍基单晶高温合金持久蠕变性能具有明显的各向异性，其中［001］取向单晶高温合金由于具有较好的综合性能被广泛应用，但偏离［001］方向也将对合金蠕变性能产生一定的影响。综合来看，对不同合金成分的单晶高温合金，在中温高应力条件下，靠近［001］-［011］方向的合金总体具有蠕变速率低和蠕变寿命高的规律，并且偏离程度较小时更为明显；而靠近［001］-［111］方向的合金总体蠕变寿命较短，在实际应用中应尽量避免该方向的蠕变变形，但取向偏离对高温条件下的蠕变变形行为影响则较小，而偏离［001］方向的镍基单晶高温合金的蠕变行为与温度、应力以及变形机制有关。对于不同的镍基单晶高温合金，如何确定取向偏离对蠕变温度和应力的界限，如何确定近服役条件下具体的取向偏离对蠕变性能影响规律，以及如何建立取向偏离影响蠕变寿命的模型并探究蠕变机制仍需要开展进一步的研究。