重型燃气轮机在高温、复杂载荷等严苛环境下长期工作，要求其涡轮叶片用镍基单晶高温合金必须兼顾优异的长时组织稳定性和长时力学性能。与航空发动机涡轮叶片相比，重型燃机叶片的尺寸、服役环境与合金成分特征明显不同，因而对航机用单晶高温合金典型变形机制的理解并不完全适用于燃机用单晶高温合金。目前，燃机用单晶高温合金长时(＞5000h)组织稳定性的影响因素及长时蠕变损伤机理和强化机制仍不清楚，关键元素Re对长时组织稳定性和长时蠕变行为的影响尚不明确，严重限制了燃机用单晶高温合金的成分设计和工程应用。 本论文针对含Re和不含Re的两种燃机用镍基单晶高温合金（0Re和2Re合金），开展了以下研究:1）分析了合金在900℃下的长时组织稳定性，阐明了Re元素对γ''相长时粗化行为的影响机制;2）深入探究了合金在900℃不同应力(200MPa-330MPa)下蠕变变形机制的异同，明确了Re元素对不同应力下蠕变行为的作用机理;在此基础上，3）系统性研究了合金在900℃/200MPa下长时蠕变过程中的损伤机理及Re的影响机制;最后，4）探索了2Re合金在900℃/200MPa下长时蠕变过程中γ/γ''相界面及位错核心处元素偏聚行为对蠕变抗力的影响机制。 合金在900℃下的长时组织稳定性与Re的影响机制研究表明:由于长时热暴露过程中γ/γ''相元素浓度的变化，导致0Re合金正错配度绝对值逐渐升高，γ''相由近立方状转变为立方状;2Re合金负错配度绝对值逐渐降低，γ''相由立方状向球形转变。2Re合金在长时热暴露过程中具有较低的γ''相粗化速率，是Re元素降低合金γ/γ''相界面能，并阻碍其他元素扩散行为的结果。Re元素作为合金γ''相粗化速率控制性元素，强化了Cr元素控制γ''相粗化行为的作用，从而显著提高了合金的长时组织稳定性。 合金在900℃不同应力(200MPa-330MPa)下的蠕变行为与Re的影响机制研究表明:虽然在不同应力下两种合金的蠕变寿命跨越了几十至几千小时(其中2Re合金在200MPa下蠕变寿命超过5000h)，但蠕变曲线均以最小蠕变速率点为界，分为蠕变减速阶段和加速阶段;不同应力下蠕变过程中两种合金的蠕变变形机制相同。合金筏排组织形成的时机与微观组织参量的演变表现出与蠕变时间强烈相关的“时间效应”，受应力和应变影响相对较弱;其原因在于燃机用单晶高温合金γ''相体积分数较低、γ/γ''相错配度较低，且在900℃下元素扩散速率较低。Re元素的添加通过阻碍元素扩散行为减缓了蠕变变形，从而显著提高了合金在不同应力下的蠕变性能。 合金在900℃/200MPa下长时蠕变变形机理与Re的影响机制研究表明:位错滑移-攀移过程是蠕变减速阶段的主要变形机制;到达最小蠕变速率点后，少量基体位错切割γ''相是导致蠕变进入加速阶段的主要原因;缓慢加速阶段中，大量位错切割γ''相;此后，枝晶间位错攀移、位错切割、应变集中、孔洞形成与长大及其造成的裂纹萌生协同发展，成为显著加速阶段中蠕变速率快速升高直至断裂的主导因素。Re元素的添加对合金长时蠕变各阶段的变形机制无明显影响，但通过显著提升枝晶干的蠕变抗力，从而显著延长了合金的蠕变寿命。 2Re合金在900℃/200MPa下长时蠕变过程中γ/γ''相界面及位错核心处元素偏聚行为对蠕变抗力的影响机制研究表明:经标准热处理后，合金γ/γ''相界面处存在W元素的偏聚现象，在后续蠕变过程中逐渐扩散;自最小蠕变速率点处起，在γ/γ''相界面位错核心处存在Re、Cr和Co元素的偏聚现象。γ/γ''相界面和位错核心处难熔元素的偏聚行为在长时蠕变不同阶段均起到强化γ/γ''相界面并拖曳位错运动的作用，成为燃机用单晶高温合金长时蠕变过程中特有的“界面-位错”协同强化效应。 基于以上研究内容，本工作丰富和发展了镍基单晶高温合金γ''相粗化理论，明确了控制燃机用单晶高温合金长时组织稳定性的关键合金元素，提出了在高温蠕变中影响组织演变的“时间效应”理念，建立了高温长时蠕变过程中的损伤机理及难熔元素偏聚行为对力学性能的强化机制，为我国重型燃机涡轮叶片用镍基单晶高温合金的成分优化、强度设计和工程应用提供了关键数据支撑和理论依据。
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