西工大《MRL》：原位EBSD揭示镍基单晶高温合金中温条件下拉伸与蠕变主导机制的差异性

2024-02-01 16:29:19 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

镍基单晶高温合金由于具有优异的综合性能，是航空发动机及燃气轮机涡轮叶片首选材料，拉伸和蠕变是评估材料力学性能的关键。然而，在中温变形条件下，拉伸和蠕变往往具有相似的变形组织，即存在大量层错和基体位错，导致普遍认为两种变形方式的主导机制相同。现有研究难以直接通过变形组织来判断拉伸和蠕变过程中主导机制的差异性，无法基于主导机制提出更为有效的合金强化方式。因此，揭示镍基单晶高温合金中温条件下拉伸和蠕变过程中主导机制的差异性，有利于根据具体的工况条件有的放矢地设计合金成分，提高单晶叶片的服役寿命。

日前，来自西北工业大学凝固技术国家重点实验室的杨文超教授和张军教授团队采用原位EBSD技术对中温拉伸过程中样品的取向旋转路径进行研究，揭示了镍基单晶高温合金中温条件下拉伸变形与拉伸蠕变主导机制的差异性。研究发现，中温拉伸变形中试样的取向旋转过程由{111}<110>滑移系主导，其主要的变形机制为基体中位错的大量开动，而非中温拉伸蠕变过程中层错切割γ'相。相关研究成果以“Tensile deformation dominated by matrix dislocations at intermediate temperatures revealed using in-situ EBSD in superalloys”为题发表于期刊Materials Research Letters上。论文的第一作者为博士研究生屈鹏飞，通讯作者为杨文超教授，西北工业大学为唯一单位。

图1. 中温条件下，镍基单晶高温合金拉伸和蠕变条件下的力学行为和微观组织：(a)试样在750 ℃下的拉伸曲线及变形前后的取向变化；(b)试样在750 ℃下拉伸断裂后的微观组织；(c)试样在750 ℃/750 MPa下的蠕变曲线及变形前后的取向变化；(d)试样在750 ℃/750 MPa下蠕变断裂后的微观组织

图2. 原位EBSD试样及相应的应力-应变曲线

图3. 原位EBSD测试过程中样品表面的形貌变化情况

图4. 原位EBSD测试中不同阶段的晶体取向及12个{111}<110>滑移系的Schmid因子

图5. (a)立方晶系(010)标准投影图；(b)不同合金在中温拉伸过程中的取向旋转路径；(c) 不同合金在中温蠕变过程中的取向旋转路径；(d){111}<110>滑移系主导的取向旋转规律；(e){111}<112>滑移系主导的取向旋转规律

作者发现，虽然镍基单晶高温合金的变形方式不同，但是750 ℃拉伸变形和750 ℃/750 MPa拉伸蠕变后的样品具有相似的微观组织，即大量的基体位错和切入γ'相的层错，其中基体位错是{111}<110>滑移系开动产生的，而层错则是{111}<112>滑移系开动造成的。然而，在不同的变形方式下，试样变形前后的取向变化却存在明显差异，如图1所示。由于{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系引起的取向旋转规律存在差异，作者进一步设计了原位EBSD实验，对拉伸过程中试样的旋转路径进行了原位分析。结果表明，镍基单晶高温合金在中温拉伸过程中发生的取向旋转实际上是由{111}<110>滑移系所主导的。

进一步，作者对拉伸过程中试样表面滑移系的开动情况进行迹线分析，并通过对不同阶段Schmid因子的计算，确定拉伸变形中取向旋转过程分为两个阶段。如图4所示，C-E为第一阶段，试样在单滑移作用下发生取向旋转；F-H为第二阶段，试样在和共轭双滑移作用下发生取向旋转。最后，作者对不同合金在中温拉伸和中温蠕变过程中的取向旋转路径进行分析，结果表明中温条件下拉伸与蠕变取向旋转路径的差异存在普遍性。

总之，作者通过原位EBSD对中温拉伸变形中取向旋转路径的研究，揭示了中温条件下拉伸和蠕变主导机制的差异性，中温拉伸以基体位错运动为主，而中温蠕变以层错切割γ'相为主。

团队简介

通讯作者：杨文超，西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事铝合金、高温合金及其零件凝固成形基础和应用研究，承担国家自然科学基金、工信部强基工程、国家重点研发计划等纵向课题12项、中国航发集团等横向课题15项；入选中国科协青年人才托举工程、陕西省杰青和湖南省100个科技创新人才，获中国产学研合作创新奖、中国精品科技期刊顶尖学术论文奖、陕西省科学技术发明一等奖和陕西省航空学会青年科技奖；发表学术论文100余篇，授权国家发明专利18件。现任中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学分会委员，陕西省航空学会理事会理事，陕西省层状金属复合材料工程研究中心委员会委员等职。

第一作者：屈鹏飞，2016年6月毕业于中南大学，获得工学学士学位。现为西北工业大学凝固技术国家重点实验室博士研究生，在杨文超教授的指导下进行单晶高温合金蠕变机理、组织调控及性能优化等方面的研究。目前，已在Journal of Materials Science & Technology，Materials Research Letters, Materials Science and Engineering: A等期刊发表学术论文11篇，授权专利3项，主持西北工业大学博士创新基金1项。

文献链接：

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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