低成本镍基单晶高温合金研究进展

朱崇伟; 张志鹏; 王家健; 刘纪德; 李金国

doi:10.15980/j.tzzz.Y20260009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

低成本镍基单晶高温合金研究进展

本期推荐 | 更新时间：2026-10-16

- 低成本镍基单晶高温合金研究进展
- Research Progress in Low-cost Nickel-based Single Crystal Superalloys
- 特种铸造及有色合金 2026年46卷第10期页码：1441-1451
- 作者机构：
  
  1.中国科学技术大学材料科学与工程学院，沈阳 110016
  2.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，沈阳 110016
  3.东北大学材料科学与工程学院，沈阳 110819
- 作者简介：
  
  朱崇伟，男，1985年出生，高级工程师，E-mail：cwzhu22b@imr.ac.cn
  刘纪德，男，1978年出生，正高级工程师，E-mail：jdliu@imr.ac.cn
  李金国，男，1975年出生，研究员，E-mail：jgli@imr.ac.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52571054)
- DOI：10.15980/j.tzzz.Y20260009
  中图分类号： G353.11;TG132.3⁺2;TG146.1⁺5
- 收稿：2026-05-11，
  
  修回：2026-06-05，
  
  录用：2026-06-10，
  
  纸质出版：2026-10-20
- 稿件说明：
移动端阅览
朱崇伟，张志鹏，王家健，等. 低成本镍基单晶高温合金研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（10）：1 441-1 451.

ZHU C W，ZHANG Z P，WANG J J，et al. Research progress in low-cost nickel-based single crystal superalloys［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2026，46（10）：1 441-1 451.
朱崇伟，张志鹏，王家健，等. 低成本镍基单晶高温合金研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（10）：1 441-1 451. DOI： 10.15980/j.tzzz.Y20260009.

ZHU C W，ZHANG Z P，WANG J J，et al. Research progress in low-cost nickel-based single crystal superalloys［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2026，46（10）：1 441-1 451. DOI： 10.15980/j.tzzz.Y20260009.

摘要

镍基单晶高温合金是航空发动机涡轮叶片的核心材料，但高Re含量导致其成本高昂。以“成分-工艺-组织-性能”为主线，对低成本镍基单晶高温合金的研究进展进行综述。合金分为二代改良型、无Re创新型和多代跨域型，通过W、Mo、Ta等元素协同替代Re实现强化。拉伸性能呈中温峰值、高温衰减特征；蠕变性能受沉淀强化、固溶强化、错配度及扩散系数调控；抗氧化性能依赖Al、Cr、Ta形成保护层，且氧化与疲劳存在耦合效应。展望了机器学习、多尺度模拟等新兴方法，旨在为低成本高性能单晶高温合金的研发提供参考。

Abstract

Nickel-based single crystal superalloys are key materials for turbine blades in aero-engines， while high Re content leads to prohibitive costs. The research progress in low-cost nickel-based single crystal superalloys was reviewed centred on "composition-process-microstructure-property". Alloys are divided into second-generation modified types， Re-free innovative type and multi-generation cross-domain type， which achieve strengthening through the synergistic replacement of Re by W， Mo and Ta. Tensile properties are characterized by medium-temperature peak and high-temperature attenuation. Creep properties are regulated by precipitation strengthening， solid solution strengthening， lattice mismatch and diffusion coefficient. Oxidation resistance relies on the protective layer formed by Al， Cr and Ta， and a coupling effect is generated between oxidation and fatigue. Finally， emerging methods such as machine learning and multi-scale simulation were prospected， aiming to provide theoretical references for research and development of low-cost and high-performance single crystal superalloy.

关键词

Keywords

references

ZHAO Y C ， CHENG H ， WANG H ， et al . Study on the method of avoiding resonance for double-walled single-crystal turbine blades based on crystallographic orientation design： A technique for solving macroscopic vibration problems from a microscopic scale ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2026 ， 168 ： 111 013 .

LÓPEZ-GALILEA I ， HECKER L ， WEBER S . Effect of super-solidus heat treatments on microstructure and homogenization of CMSX-4 plus single crystal nickel-based superalloy ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2026 ， 41 ： 1 323 - 1 336 .

DOYLE J C ， SAUNDERS E A ， WOOLRICH J M ， et al . Comparing the oxidation behaviour of three generations of single crystal nickel-based superalloys at an intermediate service temperature ［J］. Corrosion Science ， 2026 ， 261 ： 113 582 .

HOBBS R A ， ZHANG L ， RAE C M F ， et al . The effect of ruthenium on the intermediate to high temperature creep response of high refractory content single crystal nickel-base superalloys ［J］. Materials Science and Engineering ， 2008 ， A 489 （ 1 ）： 65 - 76 .

JITHIN S D ， SELVARAJ S K ， VIJAY VISHAAL K E ， et al . Comparative analysis between 5th and 6th generation superalloys and previous generation superalloys ［J］. Advances in Materials Science and Engineering ， 2022 ， 2022 （ 1 ）： 3 530 689 .

GE C T ， LIU L R ， LÜ P S ， et al . Microstructure and stress rupture properties degradation of a 2 nd generation single crystal superalloy during short-duration overheating ［J］. Materials Today Communications ， 2025 ， 44 ： 111 960 .

PARSA A B ， SAKSENA A ， GAULT B ， et al . High-temperature and low-stress tertiary creep and the transition from rafting to topological inversion in single-crystal Ni-base superalloys ［J］. Journal of Materials Science ， 2025 ， 60 （ 39 ）： 18 225 - 18 245 .

ZHOU Z R ， LIU L R ， LÜ P S ， et al . Tensile properties and deformation mechanisms of two low-cost second-generation single crystal superalloys designed by optimization of Re and W compositions at various temperatures ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2023 ， 960 ： 170 840 .

GUO H Y ， TAN Z H ， LI Y M ， et al . Diffusion of alloying elements during high temperature oxidation in a low-cost third generation Ni-based single crystal superalloy ［J］. Materials Characterization ， 2024 ， 211 ： 113 913 .

郑运荣，韩雅芳 . 燃气涡轮用单晶高温合金的成本因素［J］. 金属学报， 2002 ， 38 （ 11 ）： 1 203 - 1 209 .

王开国，李嘉荣，刘世忠，等 . DD6单晶高温合金760 ℃的蠕变性能研究［J］. 材料工程， 2004 ， 32 （ 5 ）： 7 - 11 .

王开国，李嘉荣，刘世忠，等 . DD6单晶高温合金980 ℃蠕变性能研究［J］. 材料工程， 2004 ， 38 （ 8 ）： 7 - 11 .

WEI B S ， LIN Y ， HUANG Z W ， et al . A novel Re-free Ni-based single-crystal superalloy with enhanced creep resistance and microstructure stability ［J］. Acta Materialia ， 2022 ， 240 ： 118 336 .

杜思宇，刘丽荣，罗烽月，等 . 碳含量和热处理对DD91镍基单晶高温合金再结晶行为的影响［J］. 金属热处理， 2025 ， 50 （ 11 ）： 66 - 71 .

刘金来，孙晶霞，孟杰，等 . 一种第3代单晶高温合金的组织稳定性与持久性能［J］. 金属学报， 2024 ， 60 （ 6 ）： 770 - 776 .

WU X ， MAKINENI S K ， LIEBSCHER C H ， et al . Unveiling the Re effect in Ni-based single crystal superalloys ［J］. Nature Communications ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 389 - 341 .

MILLIGAN W W ， ANTOLOVICH S D . Yielding and deformation behavior of the single crystal superalloy PWA 1480 ［J］. Metallurgical Transactions ， 1987 ， A 18 （ 1 ）： 85 - 95 .

HAN G M ， YANG Y H ， YU J J ， et al . Temperature dependence of anisotropic stress–rupture properties of nickel-based single crystal superalloy SRR99 ［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2011 ， 21 （ 8 ）： 1 717 - 1 721 .

MILLER M K ， BABU S S ， VITEK J M . Stability of γ ′ precipitates in a PWA1480 alloy ［J］. Intermetallics ， 2007 ， 15 （ 5 ）： 757 - 766 .

LÓPEZ-GALILEA I ， WEBER S . Development of super-solidus heat treatments for the second-generation single-crystal Ni-based superalloy ERBO/1： Experiments and 1D kinetic simulations ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2025 ， 39 ： 6 794 - 6 805 .

HORST O M ， ADLER D ， GIT P ， et al . Exploring the fundamentals of Ni-based superalloy single crystal （SX） alloy design： Chemical composition vs. microstructure ［J］. Materials & Design ， 2020 ， 195 ： 108 976 .

REED R C ， ZHU Z ， SATO A ， et al . Isolation and testing of new single crystal superalloys using alloys-by-design method ［J］. Materials Science and Engineering ， 2016 ， A667 ： 261 - 278 .

艾诚，李凯文，郭敏，等 . 低成本二代镍基单晶高温合金的研究进展［J］. 中国有色金属学报， 2024 ， 34 （ 9 ）： 2 857 - 2 868 .

AI C ， LI K W ， XU X J ， et al . Effects of substituting Mo for W and temperature on γ / γ ′ lattice misfits of second generation Ni based single crystal superalloys ［J］. Intermetallics ， 2025 ， 180 ： 108 710 .

GAO Y T ， DONG J S ， WANG L ， et al . Enhancing microstructural stability and creep properties by Ta addition in Ni-based single crystal superalloys ［J］. Materials Science and Engineering ， 2024 ， A909 ： 146 873 .

CHEN J B ， CHEN J Y ， WANG Q J ， et al . Enhanced creep resistance induced by minor Ti additions to a second generation nickel-based single crystal superalloy ［J］. Acta Materialia ， 2022 ， 232 ： 117 938 .

LENG F ， LIU L R ， LV P S ， et al . Creep properties and deformation mechanisms of two Nb-containing low-cost third-generation single crystal superalloys ［J］. Intermetallics ， 2026 ， 191 ： 109 213 .

ZHAO Y S ， ZHANG J ， LUO Y S ， et al . Improvement of grain boundary tolerance by minor additions of Hf and B in a second generation single crystal superalloy ［J］. Acta Materialia ， 2019 ， 176 ： 109 - 122 .

LI Y T ， XIAO J F ， GAO S ， et al . Preparation and isothermal oxidation resistance of Zr-doped PtAl coating on a Ni-based single crystal superalloy ［J］. Materials Today Communications ， 2025 ， 46 ： 112 864 .

WANG N ， LIU J D ， XU W ， et al . Unraveling the dual role of yttrium in the creep deformation mechanism of Ni-based single crystal superalloys： A synergistic effect of lattice misfit and atomic diffusion ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2026 ， 263 ： 129 - 139 .

ZHANG G Q ， WANG L ， PANG Y Y ， et al . Enhancement of creep properties with trace nitrogen in a low-cost nickel-based single crystal superalloy ［J］. Materials Science and Engineering ， 2024 ， A918 ： 147 420 .

ZHAN X ， WANG D ， ZHANG Z P ， et al . Effect of trace sulfur on the hot corrosion resistance of Ni-base single crystal superalloy ［J］. Corrosion Science ， 2023 ， 224 ： 111 528 .

张宗鹏，张思倩，王栋，等 . ppm级S对第2代抗热腐蚀镍基单晶高温合金恒温氧化行为的影响［J］. 铸造， 2019 ， 68 （ 3 ）： 232 - 236 .

LI Y ， TAN Y ， YOU X G ， et al . Effect of trace impurity elements on the high-temperature oxidation resistance of a high-purity nickel-based superalloy ［J］. Corrosion Science ， 2023 ， 211 ： 110 904 .

ZHANG Y N ， CAO X ， WANJARA P ， et al . Oxide films in laser additive manufactured Inconel 718 ［J］. Acta Materialia ， 2013 ， 61 （ 17 ）： 6 562 - 6 576 .

ROTH H A ， DAVIS C L ， THOMSON R C . Modeling solid solution strengthening in nickel alloys ［J］. Metallurgical and Materials Transactions ， 1997 ， A 28 （ 6 ）： 1 329 - 1 335 .

SUBRAMANYAM A ， LUDWIG A ， PFETZING J ， et al . Development of single-crystal Ni-base superalloys based on multi-criteria numerical optimization and efficient use of refractory elements ［J］. Metallurgical and Materials Transactions ， 2018 ， A49 ： 4 134 - 4 145 .

PRÖBSTLE M ， NEUMEIER S ， FELDNER P ， et al . Improved creep strength of nickel-base superalloys by optimized γ / γ ′ partitioning behavior of solid solution strengthening elements ［J］. Materials Science and Engineering ， 2016 ， A676 ： 411 - 420 .

AMOUYAL Y ， MAO Z ， SEIDMAN D N . Effects of tantalum on the partitioning of tungsten between the γ - and γ ′-phases in nickel-based superalloys： Linking experimental and computational approaches ［J］. Acta Materialia ， 2010 ， 58 （ 18 ）： 5 898 - 5 911 .

LÜ P S ， LIU L R ， ZHAO G Q ， et al . Temperature effects on tensile behaviors and relevant deformation mechanisms of a low-cost nickel-based single crystal superalloy containing 1.5% Re ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 926 ： 166 819 .

LENG F ， LIU L R ， LÜ P S ， et al . Effect of temperature on tensile properties of a third-generation low-cost single crystal superalloy： Experiments and molecular dynamics simulations ［J］. Materials Science and Engineering ， 2025 ， A927 ： 147 956 .

XIONG X H ， QUAN D M ， DAI P D ， et al . Tensile behavior of nickel-base single-crystal superalloy DD6 ［J］. Materials Science and Engineering ， 2015 ， A636 ： 608 - 612 .

LÜ P S ， LIU L R ， ZHOU Z R ， et al . Entire-servicing-temperature tensile behaviors of a Re-free Ni-based single crystal superalloy with balanced ductility and strength at intermediate temperature ［J］. Materials Characterization ， 2025 ， 227 ： 115 280 .

WANG T J ， ZHANG H ， LIU C H ， et al . Effect of temperature on tensile behavior， fracture morphology and deformation mechanisms of Nickel-based single crystal CMSX-4 ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 912 ： 165 175 .

TAN Z H ， WANG X G ， DU Y L ， et al . Temperature dependence on tensile deformation mechanisms in a novel Nickel-based single crystal superalloy ［J］. Materials Science and Engineering ， 2020 ， A776 ： 138 997 .

韩凤奎，刘蓓蕾，吴保平，等 . 不同温度下镍基单晶高温合金蠕变断裂特征［J］. 机械工程材料， 2022 ， 46 （ 10 ）： 56 - 60 .

YANG B S ， LI B . Creep notch effect in DD6 Ni-based single crystal superalloy： Experimental and modeling studies ［J］. Materials Science and Engineering ， 2025 ， A931 ： 148 221 .

GAO Y T ， DONG J S ， LOU L H . Stress-dependent creep behavior of a low-cost Re-free nickel-based single crystal superalloy at 980 ℃ ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2025 ， 38 ： 854 - 867 .

ESTRADA RODAS E A ， GORGANNEJAD S ， NEU R W . Creep-fatigue behaviour of single-crystal Ni-base superalloy CMSX-8 ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 2019 ， 42 （ 9 ）： 2 155 - 2 171 .

RETTIG R ， MATUSZEWSKI K ， MÜLLER A ， et al . Development of a low-density rhenium-free single crystal nickel-based superalloy by application of numerical multicriteria optimization using thermodynamic calculations ［C］// Proceedings of the 13th International Symposium on Superalloys . Erlangen ： TMS ， 2016 .

MISHIMA Y ， OCHIAI S ， HAMAO N ， et al . Solid solution hardening of nickel ［J］. Transactions of the Japan Institute of Metals ， 1986 ， 27 （ 9 ）： 656 - 664 .

EPISHIN A I ， FEDELICH B ， VIGUIER B ， et al . Creep of single-crystals of nickel-base γ -alloy at temperatures between 1 150 ℃ and 1 288 ℃ ［J］. Materials Science and Engineering ， 2021 ， A825 ： 141 880 .

LI Y M ， TAN Z H ， WANG X G ， et al . Stress rupture anisotropy of a Ru-containing fourth-generation single crystal superalloy at 760 ℃ and 1 100 ℃ ［J］. Materials Science and Engineering ， 2022 ， A856 ： 144 006 .

ZHANG J X ， MURAKUMO T ， KOIZUMI Y ， et al . Interfacial dislocation networks strengthening a fourth-generation single-crystal TMS-138 superalloy ［J］. Metallurgical and Materials Transactions ， 2002 ， A 33 （ 12 ）： 3 741 - 3 746 .

ZHANG J X ， MURAKUMO T ， HARADA H ， et al . Dependence of creep strength on the interfacial dislocations in a fourth generation SC superalloy TMS-138 ［J］. Scripta Materialia ， 2003 ， 48 （ 3 ）： 287 - 293 .

MURAKUMO T ， KOBAYASHI T ， KOIZUMI Y ， et al . Creep behaviour of Ni-base single-crystal superalloys with various γ ′ volume fraction ［J］. Acta Materialia ， 2004 ， 52 （ 12 ）： 3 737 - 3 744 .

GUAN Q Y ， LI Y M ， WANG X G ， et al . Creep anisotropy of a low-cost third generation single crystal superalloy at 760 ℃ and 1 120 ℃ ［J］. Materials Science and Engineering ， 2025 ， A922 ： 147 632 .

JIANG H R ， LI Y M ， TAN Z H ， et al . Unveiling the stress sensitivity of creep behavior and deformation mechanism in a novel 3rd-generation low-cost Ni-based single crystal superalloy at intermediate temperature ［J］. Materials Science and Engineering ， 2026 ， A969 ： 150 449 .

ZHU C W ， ZHANG Z P ， LIU J D ， et al . Microstructure evolution and mechanical properties of a novel low-cost second-generation ni-based single crystal superalloy after long-term thermal exposure ［J］. Acta Metallurgica Sinica （English Letters）， 2025 ， 38 （ 11 ）： 2 035 - 2 046 .

DU J G ， LI Y M ， TAN Z H ， et al . Effect of thermal exposure on the microstructure and creep properties of a low-cost third-generation Ni-based single crystal superalloy ［J］. Intermetallics ， 2026 ， 192 ： 109 254 .

WAHL J B ， HARRIS K . New single crystal superalloys， CMSX®-7 and CMSX®-8 ［C］//Seven Springs Mountain Resort， Champion， Pennsylvania， USA .

ERNESTO A . ESTRADA R， SANAM G， et al. Creep‐fatigue behaviour of single‐crystal Ni‐base superalloy CMSX‐8［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 2019 ， 42 （ 9 ）： 2 155 - 2 171 .

REED R C ， TAO T ， WARNKEN N . Alloys-by-design： Application to nickel-based single crystal superalloys ［J］. Acta Materialia ， 2009 ， 57 （ 19 ）： 5 898 - 5 913 .

SHEN C ， SUZUKI A ， KONITZER D G . Multiscale modeling of heat treatment processing for single-crystal Ni-base Superalloys ［C］// Proceedings of the 13th International Symposium of Superalloys . Hoboken， NJ ： John Wiley & Sons ， 2016 .

PEI H Q ， WEN Z X ， YUE Z F . Long-term oxidation behavior and mechanism of DD6 Ni-based single crystal superalloy at 1 050 ℃ and 1 100 ℃ in air ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 704 ： 218 - 226 .

LI P ， JIN X C ， ZHAO J C ， et al . Oxidation behaviors and compressive strength evolution of DD6 Ni-based single-crystal superalloy at 1 100 ℃ ［J］. Corrosion Science ， 2022 ， 208 ： 110 684 .

MARTIN A ， CORMIER J ， RAME J ， et al . Influence of microstructure on the oxidation behaviour of the Ni-based single crystal superalloy AM1 between 850 and 1 050 ℃ in air ［J］. Corrosion Science ， 2024 ， 229 ： 111 872 .

PEI H Q ， WEN Z X ， LI Z W ， et al . Influence of surface roughness on the oxidation behavior of a Ni-4.0Cr-5.7Al single crystal superalloy ［J］. Applied Surface Science ， 2018 ， 440 ： 790 - 803 .

HAUGSRUD R . On the high-temperature oxidation of nickel ［J］. Corrosion Science ， 2003 ， 45 ： 211 - 235 .

YU H ， ZHAO Q ， MARTÍN D S ， et al . Enhancing high-temperature oxidation resistance in directed energy deposition-processed Ni-based superalloys via heat treatment ［J］. Corrosion Science ， 2025 ， 257 ： 113 281 .

HU Y B ， CHENG C Q ， CAO T S ， et al . A study on the multiple stages of oxidation kinetics in a single crystal nickel-based superalloy ［J］. Corrosion Science ， 2021 ， 188 ： 109 512 .

HARIHARAN K ， LANDES M ， RAMSPERGER M ， et al . High temperature oxidation of Ni-based superalloy 247 produced by electron beam powder bed fusion additive manufacturing ［J］. Corrosion Science ， 2025 ， 257 ： 113 301 .

YUN D W ， SEO S M ， JEONG H W ， et al . Effect of refractory elements and Al on the high temperature oxidation of Ni-base superalloys and modelling of their oxidation resistance ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 710 ： 8 - 19 .

LI Y M ， GUO H Y ， WANG X G ， et al . Oxidation micromechanics and contribution during the low-cycle fatigue failure of a Ni-based single crystal superalloy ［J］ . International Journal of Fatigue ， 2025 ， 190 ： 108 586 .

GUO H Y ， LI Y M ， WANG X G ， et al . Influence factors of thermal fatigue behavior of a low-cost third generation Ni-based single crystal superalloy ［J］. Materials Characterization ， 2025 ， 224 ： 114 976 .

HUANG Y Y ， LIU J D ， ZHU C W ， et al . An explainable machine learning model for superalloys creep life prediction coupling with physical metallurgy models and CALPHAD ［J］. Computational Materials Science ， 2023 ， 227 ： 112 283 .

SUN L G ， ZHANG S ， QIN Z J ， et al . Temperature dependent strength prediction of nanotwinned nickel-based single crystal superalloys by integrating atomistic simulation and machine learning ［J］. Mechanics of Materials ， 2026 ， 216 ： 105 623 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

FCC+TiC型共晶高熵合金的成分设计和力学性能

Mo-Si基合金抗氧化性能研究进展

基于机器学习的6061铝合金成分-硬度关系预测与设计

Y含量对Mg-Zn-Zr合金组织和性能的影响

电刷镀纳米Cu在500℃下的抗氧化性研究