随着航空发动机推重比的不断增大，涡轮入口温度的持续提高，涡轮叶片服役环境越发严苛，使得单晶叶片的结构设计越发复杂。在复杂的服役条件下，叶片榫头、叶根及气冷通道有可能承受不同取向的应力。除此之外，轴向离心力与热应力耦合作用也会使得榫头与叶盘连接处承受应力具有多向性。对于榫头、叶根和气冷通道这些部位其典型的服役条件多为中温高应力。因此，对不同取向单晶高温合金中温高应力蠕变行为及变形机理的研究有助于揭示单晶涡轮叶片在实际服役过程中的损伤机理，并为单晶叶片的结构设计及新一代合金研发提供理论支持。
日前，来自西北工业大学凝固技术国家重点实验室的张军教授和杨文超教授团队结合TEM和EBSD等先进表征手段揭示了单晶高温合金中温蠕变各向异性的内在机理。研究发现，中温高应力条件下，镍基单晶高温合金蠕变寿命具有明显的各向异性，在[001]取向附近，蠕变寿命对晶体取向更加敏感，在偏离[001]相同角度下，靠近[001]-[011]边界的单晶寿命明显高于靠近[001]-[111]边界的单晶。对蠕变断裂前后取向变化及位错组态分析表明，中温高应力条件下，{111}<112>滑移系的开动是其主要的变形机制，主要的缺陷为层错和微孪晶。单个{111}<112>滑移系的开动会导致单晶取向发生旋转，而取向旋转会贯穿蠕变的整个阶段，并主导了蠕变寿命的各向异性，旋转程度越大，就更容易造成样品变形不均匀和局部应力集中，加快了蠕变断裂。相关研究成果以“Creep anisotropy dominated by orientation rotation in Ni-based single crystal superalloys at 750 °C/750 MPa”为题发表于期刊Journal of Materials Science & Technology上。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.055
图1 标准热处理后不同取向试样的热处理组织
图1展示了标准热处理后4种不同取向试样的热处理组织，不同取向下γ'相的形貌存在差异，是由观察角度不同所导致的。其中靠近[001]取向对的A、B试样呈现出较为规整的立方状(图1a-b所示)，在近[101]取向样品C的γ'相中心部位存在黑色条带(图1c所示)，是立方状γ'相的棱在(101)晶面上的投影(图1e所示)。
图2 不同取向单晶试样在750 °C/750 MPa下的蠕变曲线
图2显示了不同取向单晶试样在750 °C/750 MPa下的蠕变曲线。结果表明，单晶高温合金在中温高应力下，蠕变寿命具有明显的各向异性。[001]取向附近A试样(图2 a)的蠕变寿命高达620 h，而[101]取向附近C试样(图2c)的蠕变寿命仅有5.4 h。对比图2a和b结果，[001]取向附近试样的蠕变寿命具有明显的取向敏感性。
图3 不同取向试样蠕变断裂后的断口形貌
图3展示了不同取向试样蠕变断裂后的断口形貌。蠕变断裂之后，不同试样虽表现出了不同的断口形貌，但主要的断裂方式均为剪切断裂，断裂面为{111}面。断裂之后，断裂面与试样横截面的夹角均在50°~60°之间。通过对断后取向与{111}晶面的计算，也能够确定试样的断裂面为{111}晶面。
图4 不同取向试样蠕变断裂后的微观组织
进一步，作者通过TEM技术研究不同取向试样在蠕变断裂后的微观组织。如图4所示，其中近[001]取向附近的试样A、B的主要变形组织是层错(图4a-d)，而C、D试样的变形组织则包含有层错和微孪晶(图4e-h)。
图5不同取向下12个{111}<110>滑移系的Schmid因子
图6不同取向下12个{111}<112>滑移系的Schmid因子
无论层错还是孪晶，其均由{111}<112>滑移系开动造成的。作者之前的工作已经表明(Materials Characterization, 2021, 180:
111419)，{111}<112>滑移系的开动总与{111}<110>滑移系密切相关。为此进一步计算了不同取向下{111}<110>滑移系(图5)和{111}<112>滑移系(图6)的Schmid因子。通过理论分析，可以确定A、B试样主要开动的滑移系为(111)[-1-12]，而C、D试样主要开动的滑移系为(1-11)[121]。不同试样主要滑移系开动的差异，主要与其晶体取向密切相关。
图7 层错形成机制
随后，针对变形组织中的层错结构，本文提出了两种可行的形成机制：共面滑移机制和交滑移机制。并且通过理论分析，首次确定了在共面滑移机制中，两个基体位错之间的作用力为吸引力，这进一步增加了共面滑移机制的可行性(图7b所示)。
图8 孪晶形成机制
针对变形过程中出现的微孪晶，作者通过HR-TEM和HAADF-STEM解析了微孪晶的微观结构，发现同一孪晶的不同位置厚度不同，呈现出台阶状(图8a-c)。图8b进一步展示了“台阶状”孪晶形成与长大的过程。
图9 蠕变寿命与晶体取向的关系及{111}<112>滑移系主导的取向旋转规律
最后，图9分析了四个样品蠕变前后的晶体取向变化，发现近[001]取向A、B试样都是朝着[001]极点旋转，而C、D试样则是朝着[111]极点旋转(图9a)。这些样品的取向旋转方向符合{111}<112>滑移系主导的取向旋转规律(图9b)，也与TEM微观组织和Schmid因子的分析结果一致。试样会在{111}<112>作用下发生取向旋转，取向旋转主导了蠕变寿命的各向异性，旋转程度越大，越容易造成试样变形不均匀并导致试样局部应力集中，加速了蠕变断裂，致使其蠕变寿命则越小。
团队负责人：
张军，西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室教授，博导，中国机械工程学会高级会员及材料分会理事，国家自然科学基金学科评审专家，先进高温结构材料国家级重点实验室学术委员会委员。教育部高等学校教学信息化与教学方法创新指导委员会委员，中国高等教育学会工程教育专业委员会常务理事，中国教育发展战略学会理事，教育部本科教学工作审核评估专家、合格评估专家、工程教育认证专家。曾任西北工业大学教务处长、材料学院副院长、国家重点实验室副主任等。主要从事先进材料及其凝固技术和理论的教学与科研工作，获国家级教学成果奖一等奖1项，陕西省科学技术一等奖2项，教育部自然科学二等奖1项。发表学术论文350余篇，获国家发明专利40余项。先后承担国家自然科学基金重大和重点项目、国家973、国防973、国防863、国防基础科研、国防预研、航空基金等国家及省部级科研项目30余项，国家和省部级教育教学研究项目3项。
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。
*感谢论文作者团队的大力支持。
联系客服
