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西工大《MRL》：原位EBSD揭示鎳基單晶高溫合金中溫條件下拉伸與蠕變主導機制的差異性

2024-02-01 16:29:19 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

鎳基單晶高溫合金由于具有優異的綜合性能，是航空發動機及燃氣輪機渦輪葉片首選材料，拉伸和蠕變是評估材料力學性能的關鍵。然而，在中溫變形條件下，拉伸和蠕變往往具有相似的變形組織，即存在大量層錯和基體位錯，導致普遍認為兩種變形方式的主導機制相同。現有研究難以直接通過變形組織來判斷拉伸和蠕變過程中主導機制的差異性，無法基于主導機制提出更為有效的合金強化方式。因此，揭示鎳基單晶高溫合金中溫條件下拉伸和蠕變過程中主導機制的差異性，有利于根據具體的工況條件有的放矢地設計合金成分，提高單晶葉片的服役壽命。

日前，來自西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的楊文超教授和張軍教授團隊采用原位EBSD技術對中溫拉伸過程中樣品的取向旋轉路徑進行研究，揭示了鎳基單晶高溫合金中溫條件下拉伸變形與拉伸蠕變主導機制的差異性。研究發現，中溫拉伸變形中試樣的取向旋轉過程由{111}<110>滑移系主導，其主要的變形機制為基體中位錯的大量開動，而非中溫拉伸蠕變過程中層錯切割γ'相。相關研究成果以“Tensile deformation dominated by matrix dislocations at intermediate temperatures revealed using in-situ EBSD in superalloys”為題發表于期刊Materials Research Letters上。論文的第一作者為博士研究生屈鵬飛，通訊作者為楊文超教授，西北工業大學為唯一單位。

圖1. 中溫條件下，鎳基單晶高溫合金拉伸和蠕變條件下的力學行為和微觀組織：(a)試樣在750 ℃下的拉伸曲線及變形前后的取向變化；(b)試樣在750 ℃下拉伸斷裂后的微觀組織；(c)試樣在750 ℃/750 MPa下的蠕變曲線及變形前后的取向變化；(d)試樣在750 ℃/750 MPa下蠕變斷裂后的微觀組織

圖2. 原位EBSD試樣及相應的應力-應變曲線

圖3. 原位EBSD測試過程中樣品表面的形貌變化情況

圖4. 原位EBSD測試中不同階段的晶體取向及12個{111}<110>滑移系的Schmid因子

圖5. (a)立方晶系(010)標準投影圖；(b)不同合金在中溫拉伸過程中的取向旋轉路徑；(c) 不同合金在中溫蠕變過程中的取向旋轉路徑；(d){111}<110>滑移系主導的取向旋轉規律；(e){111}<112>滑移系主導的取向旋轉規律

作者發現，雖然鎳基單晶高溫合金的變形方式不同，但是750 ℃拉伸變形和750 ℃/750 MPa拉伸蠕變后的樣品具有相似的微觀組織，即大量的基體位錯和切入γ'相的層錯，其中基體位錯是{111}<110>滑移系開動產生的，而層錯則是{111}<112>滑移系開動造成的。然而，在不同的變形方式下，試樣變形前后的取向變化卻存在明顯差異，如圖1所示。由于{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系引起的取向旋轉規律存在差異，作者進一步設計了原位EBSD實驗，對拉伸過程中試樣的旋轉路徑進行了原位分析。結果表明，鎳基單晶高溫合金在中溫拉伸過程中發生的取向旋轉實際上是由{111}<110>滑移系所主導的。

進一步，作者對拉伸過程中試樣表面滑移系的開動情況進行跡線分析，并通過對不同階段Schmid因子的計算，確定拉伸變形中取向旋轉過程分為兩個階段。如圖4所示，C-E為第一階段，試樣在單滑移作用下發生取向旋轉；F-H為第二階段，試樣在和共軛雙滑移作用下發生取向旋轉。最后，作者對不同合金在中溫拉伸和中溫蠕變過程中的取向旋轉路徑進行分析，結果表明中溫條件下拉伸與蠕變取向旋轉路徑的差異存在普遍性。

總之，作者通過原位EBSD對中溫拉伸變形中取向旋轉路徑的研究，揭示了中溫條件下拉伸和蠕變主導機制的差異性，中溫拉伸以基體位錯運動為主，而中溫蠕變以層錯切割γ'相為主。

團隊簡介

通訊作者：楊文超，西北工業大學材料學院、凝固技術國家重點實驗室教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者。主要從事鋁合金、高溫合金及其零件凝固成形基礎和應用研究，承擔國家自然科學基金、工信部強基工程、國家重點研發計劃等縱向課題12項、中國航發集團等橫向課題15項；入選中國科協青年人才托舉工程、陜西省杰青和湖南省100個科技創新人才，獲中國產學研合作創新獎、中國精品科技期刊頂尖學術論文獎、陜西省科學技術發明一等獎和陜西省航空學會青年科技獎；發表學術論文100余篇，授權國家發明專利18件。現任中國金屬學會電磁冶金與強磁場材料科學分會委員，陜西省航空學會理事會理事，陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心委員會委員等職。

第一作者：屈鵬飛，2016年6月畢業于中南大學，獲得工學學士學位。現為西北工業大學凝固技術國家重點實驗室博士研究生，在楊文超教授的指導下進行單晶高溫合金蠕變機理、組織調控及性能優化等方面的研究。目前，已在Journal of Materials Science & Technology，Materials Research Letters, Materials Science and Engineering: A等期刊發表學術論文11篇，授權專利3項，主持西北工業大學博士創新基金1項。

文獻鏈接：

Pengfei Qu, Wenchao Yang*, Chen Liu, Jiarun Qin, Qiang Wang, Jun Zhang &Lin Liu(2024) Tensile deformation dominated by matrix dislocations at intermediate temperatures revealed using in-situ EBSD in superalloys, Materials Research Letters, 12:2, 116-124. ( https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2304255)

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