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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(dǎo)機(jī)制的差異性

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

鎳基單晶高溫合金由于具有優(yōu)異的綜合性能，是航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片首選材料，拉伸和蠕變是評估材料力學(xué)性能的關(guān)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(dǎo)致普遍認(rèn)為兩種變形方式的主導(dǎo)機(jī)制相同。現(xiàn)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(dǎo)機(jī)制的差異性，無法基于主導(dǎo)機(jī)制提出更為有效的合金強(qiáng)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(dǎo)機(jī)制的差異性，有利于根據(jù)具體的工況條件有的放矢地設(shè)計合金成分，提高單晶葉片的服役壽命。

日前，來自西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的楊文超教授和張軍教授團(tuán)隊采用原位EBSD技術(shù)對中溫拉伸過程中樣品的取向旋轉(zhuǎn)路徑進(jìn)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(dǎo)機(jī)制的差異性。研究發(fā)現(xiàn)，中溫拉伸變形中試樣的取向旋轉(zhuǎn)過程由{111}<110>滑移系主導(dǎo)，其主要的變形機(jī)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(guān)研究成果以“Tensile deformation dominated by matrix dislocations at intermediate temperatures revealed using in-situ EBSD in superalloys”為題發(fā)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(yè)大學(xué)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(xué)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(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)投影圖；(b)不同合金在中溫拉伸過程中的取向旋轉(zhuǎn)路徑；(c) 不同合金在中溫蠕變過程中的取向旋轉(zhuǎn)路徑；(d){111}<110>滑移系主導(dǎo)的取向旋轉(zhuǎn)規(guī)律；(e){111}<112>滑移系主導(dǎo)的取向旋轉(zhuǎn)規(guī)律

作者發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(zhuǎn)規(guī)律存在差異，作者進(jìn)一步設(shè)計了原位EBSD實(shí)驗，對拉伸過程中試樣的旋轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行了原位分析。結(jié)果表明，鎳基單晶高溫合金在中溫拉伸過程中發(fā)生的取向旋轉(zhuǎn)實(shí)際上是由{111}<110>滑移系所主導(dǎo)的。

進(jìn)一步，作者對拉伸過程中試樣表面滑移系的開動情況進(jìn)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(zhuǎn)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(fā)生取向旋轉(zhuǎn)；F-H為第二階段，試樣在和共軛雙滑移作用下發(fā)生取向旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)路徑進(jìn)行分析，結(jié)果表明中溫條件下拉伸與蠕變?nèi)∠蛐D(zhuǎn)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(zhuǎn)路徑的研究，揭示了中溫條件下拉伸和蠕變主導(dǎo)機(jī)制的差異性，中溫拉伸以基體位錯運(yùn)動為主，而中溫蠕變以層錯切割γ'相為主。

團(tuán)隊簡介

通訊作者：楊文超，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年科學(xué)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(chǔ)和應(yīng)用研究，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、工信部強(qiáng)基工程、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等縱向課題12項、中國航發(fā)集團(tuán)等橫向課題15項；入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、陜西省杰青和湖南省100個科技創(chuàng)新人才，獲中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎、中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文獎、陜西省科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎和陜西省航空學(xué)會青年科技獎；發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利18件。現(xiàn)任中國金屬學(xué)會電磁冶金與強(qiáng)磁場材料科學(xué)分會委員，陜西省航空學(xué)會理事會理事，陜西省層狀金屬復(fù)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(yè)于中南大學(xué)，獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生，在楊文超教授的指導(dǎo)下進(jìn)行單晶高溫合金蠕變機(jī)理、組織調(diào)控及性能優(yōu)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(fā)表學(xué)術(shù)論文11篇，授權(quán)專利3項，主持西北工業(yè)大學(xué)博士創(chuàng)新基金1項。

文獻(xiàn)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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