鎳基單晶高溫合金制造先進航空發(fā)動機核心部件高壓渦輪葉片的首選材料。鎳基單晶高溫合金在制備和加工中產(chǎn)生的殘余應力對后續(xù)服役過程中微觀組織的演化、力學性能的退化具有直接而重要的影響。例如，已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)在熱暴露或蠕變變形的初期，枝晶間與枝晶干處γ?共格沉淀強化相的筏化現(xiàn)象表現(xiàn)出顯著的不同步特點，這很可能與殘余應力的空間分布不均勻，而且這個殘余應力既包括γ/γ?兩相之間的共格應力，也包括枝晶尺度下的應力。因此，為了更好地理解鎳基單晶高溫合金的變形機理、優(yōu)化合金設計，就需要對多尺度應力的分布進行高精度、高空間分布的測量。

然而，作為公認的最準確的應力測量方法，X射線衍射技術在鎳基單晶高溫合金多尺度應力分布的表征方面遇到了巨大挑戰(zhàn)：應用衍射技術測量應力的前提是需要知道合金材料無應力狀態(tài)下的晶格常數(shù)d₀；但是，鎳基高溫合金等共格沉淀強化合金中，兩相之間始終存在共格應力，因此無法獲得每種物相的d₀。而且，更為麻煩的是，鎳基單晶高溫合金中合金元素種類多、含量高，尤其是W、Re等元素因為擴散速率慢而分布不均勻（即使經(jīng)過標準熱處理也無法消除偏析），進而導致d₀非均勻分布、處處不同且嚴重依賴于合金材料的制備條件、熱歷史，難以獲得。即使對于同一種合金，改變制備方法和熱處理制度甚至有可能改變兩相晶格錯配度的正負號，進而導致拉、壓應力的倒置，對力學性能產(chǎn)生巨大影響。

為表征鎳基單晶高溫合金多尺度應力分布，西安交通大學和北京科技大學研究人員合作開發(fā)了一種具有亞微米空間分辨率的同步輻射微束衍射方法，克服了d₀未知導致的應力無法準確測量難題，并以鎳基單晶高溫合金為例，實現(xiàn)了非均勻共格沉淀強化合金中微觀應力空間分布的表征。

在本工作中，作者利用同步輻射微束線站的單色光能量掃描技術，對鎳基單晶高溫合金中γ/γ?相的晶格錯配度進行了定量表征并以此為基礎計算了微米尺度下共格應力的空間分布。為描述共格應力在亞枝晶尺度上的影響，作者基于鎳基單晶高溫合金中γ?析出相與γ相通道的周期性組織特征，使用等效收縮描述了共格應力在析出相尺度上造成的材料形變，進而利用有限元模擬獲得了非均勻分布的共格應力在亞枝晶尺度上造成的應力。

研究發(fā)現(xiàn)，在二代鎳基單晶高溫合金CMSX-4中，即使經(jīng)過了標準熱處理，元素的偏析（尤其是Re元素）依然造成了共格應力的顯著不均勻分布，而且這樣的非均勻共格應力在二次枝晶干引入了沿枝晶生長方向的單軸拉應力，并在枝晶間區(qū)域內(nèi)形成了平衡該拉應力的平面壓應力。

通過比對有限元模擬與同步輻射微束勞厄衍射測量的偏應變張量分布，驗證了模擬結果的可靠性，同時也證明亞枝晶尺度的應力確實來源于非均勻分布的共格應力。

通過本研究所建立的方法，能夠在d₀未知的情況下，通過表征晶格錯配度，同時計算得到共格應力與亞枝晶尺度微觀應力的空間分布；而且該方法不僅適用于鎳基高溫合金，也可以推廣到其他共格沉淀強化合金的研究中。近年研究發(fā)現(xiàn)，通過成分設計與工藝優(yōu)化，能夠制備出合金元素分布、析出相形貌、晶格錯配度不均勻的共格沉淀強化合金材料，這類合金有望具有無與倫比的力學性能。而本研究中所建立的多尺度應力分布表征方法有望為這一類合金的設計與力學性能研究提供強有力支撐。