高温合金是指用于承受高温和机械载荷，并有效抵抗蠕变或腐蚀的金属合金。这些高温合金已经开发用于，诸如燃气轮机和喷气发动机的领域中，也就是说在发生极热和机械负载的环境中。

图1  燃气轮机

因此，在航空航天应用中，所有高温合金中约有75％用作磁盘，叶片和发动机叶片。其他典型的应用领域包括热交换器，化学反应容器的组件，热处理设备以及石油和天然气钻探产品。

高温合金具有承受高温变形的能力，延展性不够，很难进行加工。为了获得符合要求的高温合金性能，这些材料通常包含镍或钴作为基体金属，以及更高比例的各种难熔合金元素。

在铁Fe基，钴Co基和镍Ni基在内的各种类型高温合金中，利用两相γ（面心立方，fcc）/γ'（L12）微结构，来增强的镍Ni基高温合金表现出最高的耐热性能。

对于最高温度的应用，它们被固化成单晶形式，并进行合金化以实现高体积分数的γ'析出物，γ和γ'相的良好固溶强化以及耐环境性。γ/γ'Ni基高温合金在高温下优异的强度可归因于规则排列的呈立方形状的相干γ'沉淀的高体积分数，可抑制γ通道中的位错滑移。在最好的镍基单晶高温合金中，γ'相的体积分数约为70％。

在强化高温合金中，使用L12有序析出物是最近才有的。大多数研究集中于低温状态（≤900°C）下的相变行为，γ'形貌和力学性能。

合金化元素，如铝，钛和铜，在各种热处理条件下，对高温合金中L12有序析出物稳定性也是有一定影响。已表明添加铜可促进L12有序沉淀物的异相成核和稳定。这些沉淀仅在930 °C以下稳定，并转变为无序γ相。

镍基高温合金在环境和高温下具有出色的强度，这归因于该结构由无序fccγ-中的相干γ'-Ni3Al基相干析出物组成Ni-Al基体。对于镍基高温合金，合金化是提高γ'相固溶温度并改善高温性能的主要方法。

如图2所示，利用Mo掺杂形成的高温合金，呈现层级微观结构，以提升强度-延展性协同作用。

图2 高强度-延展性协同作用Mo掺杂合金层级微观结构（Parsa, 2015）

在高熵γ基体中将这些析出物引入后，强度会倍增。但是，由于这些合金中L12有序析出物的微观结构稳定性有限，包括塑性在内的力学性能在高温下会降低。

因此，为了使合金适合高温应用，需要进行化学成分设计以及对这些析出物在高温（> 900 °C）下的长期稳定性和粗化动力学及其对力学性能的影响进行研究。

此外，在新兴的金属增材制造技术中，也用可以分析不同元素对高温合金裂纹等缺陷的影响，如图3所示。APT成像图中包含MB和M2B型硼化物以及具有等浓度界面的粒间γ'颗粒，其中Ni（绿色）和B（橙色）为46 at.％。

图3 含MB和M2B型硼化物以及具有等浓度界面的沿晶γ′粒子三维原子探针成像图（Chauvet, 2018)

总之，析出物引起的强化主要来自两方面的因素，（1）析出相抵抗位错运动；（2）围绕析出相形成位错环。第一种机理用于析出相尺寸较小的情况，而第二种机理用于析出相尺寸较大的情形。

为了确定在室温下的变形机理，在γ-CoNi的[001]方向附近的弱光束（g-3g）条件下获取的一对明场和暗场图像，如图4显示一对位错析出。

此外，还观察到基体内的位错活动，而没有观察到位错在析出相附近通过。

因此，可以合理地假设析出物剪切是室温变形过程中的普遍变形机制，析出相剪切是影响室温强度的主要强化机制。

图 4 高温合金γ/γ'相强化机制 (Pandey, 2019)