西工大蘇海軍團(tuán)隊(duì)《JMST》：定向合金中晶粒取向與晶界協(xié)同作用機(jī)制

1.成果介紹

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了定向合金中晶粒取向與晶界協(xié)同作用機(jī)制。以實(shí)際DZ411合金燃?xì)廨啓C(jī)葉片為研究對(duì)象，從中截取板狀樣品，對(duì)比了單晶與雙晶試樣的變形行為。結(jié)果表明，當(dāng)單晶試樣的取向偏離角從2°增加至14°時(shí)，其屈服強(qiáng)度從996 MPa顯著下降至871 MPa。而在雙晶試樣中，這種取向敏感性更為突出：當(dāng)兩個(gè)晶粒均接近〈001〉取向時(shí)，屈服強(qiáng)度高達(dá)987 MPa；但當(dāng)晶粒出現(xiàn)較大取向偏離時(shí)（如(4°,16°)、(24°,32°)、(20°,28°)），屈服強(qiáng)度急劇下降至700 MPa左右。研究進(jìn)一步通過電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)揭示了其微觀機(jī)理：在650°C拉伸變形過程中，變形由{111}〈110〉滑移系主導(dǎo)，晶粒的取向旋轉(zhuǎn)方向會(huì)受到相鄰晶粒的顯著影響。更重要的是，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，導(dǎo)致晶界處強(qiáng)度高于晶內(nèi)，滑移帶在晶界附近停止運(yùn)動(dòng)，從而在晶界處引發(fā)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。這種因取向差導(dǎo)致的變形不協(xié)調(diào)，是雙晶試樣延伸率顯著降低的根本原因。

相關(guān)工作以題為“Unveiling the coordinated mechanism of orientation and grain boundaries on tensile deformation in directional solidification gas turbine blades”的研究論文發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.02.026

2.背景介紹

重型燃?xì)廨啓C(jī)是能源動(dòng)力領(lǐng)域的核心裝備，其熱端部件定向凝固渦輪葉片，需要在極端高溫和復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役。定向凝固技術(shù)通過消除橫向晶界，并使晶粒的〈001〉方向與葉片主應(yīng)力軸平行，從而賦予合金優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。然而，隨著燃?xì)廨啓C(jī)效率的不斷提升，葉片結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、尺寸愈發(fā)增大，在定向凝固過程中，特別是榫頭等區(qū)域，極易因溫度梯度不足而產(chǎn)生晶粒取向偏離〈001〉方向的現(xiàn)象，形成小角度或大角度晶界。

鎳基高溫合金具有顯著的各向異性，晶粒取向的微小偏差都會(huì)導(dǎo)致其拉伸、蠕變等性能發(fā)生劇烈變化。以往研究多聚焦于理想狀態(tài)下的單晶合金變形行為，或僅關(guān)注單一晶粒的取向影響。然而，在實(shí)際服役的定向凝固葉片中，由多個(gè)晶粒組成的雙晶或多晶結(jié)構(gòu)才是常態(tài)。此時(shí)，不同晶粒的取向差異及其間的晶界如何協(xié)同變形、如何影響整體力學(xué)性能，其內(nèi)在機(jī)理尚不明確。特別是在葉片榫頭工作溫度（約650°C）下，這種由取向偏離和晶界共同主導(dǎo)的復(fù)雜變形機(jī)制，成為制約定向凝固葉片性能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

3.圖文解析

圖1 (a) 葉片的尺寸及定向合金晶粒的宏觀形貌；(b) 葉片的縱向截面及單晶和雙晶拉伸試樣的示意圖；(c)拉伸樣品的IPF圖；(d) 單晶和雙晶樣品沿拉伸軸的取向。

圖1展示了從實(shí)際渦輪葉片葉身和榫頭截取試樣的示意圖、縱向拉伸試樣的尺寸與加載方向，以及單晶（SX）和雙晶（BX）試樣的初始晶體取向分布和晶粒間的取向關(guān)系。BX1兩個(gè)晶粒均接近[001]（偏差5°和7°），BX2一個(gè)晶粒接近[001]、另一個(gè)偏離（4°和16°），BX3和BX4兩個(gè)晶粒均嚴(yán)重偏離（24°/32°和20°/28°）。

圖2 SX和BX試樣沿DS方向的拉伸試驗(yàn)：(a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 加工硬化率曲線。

圖2展示了不同試樣的屈服強(qiáng)度、延伸率對(duì)比以及應(yīng)變硬化行為。從圖中可以清晰看出：取向主導(dǎo)了屈服強(qiáng)度，接近[001]的SX1屈服強(qiáng)度高達(dá)996 MPa，而偏離[001]的SX2僅為871 MPa；晶界則主要損害延伸率，即使兩個(gè)晶粒均接近[001]的BX1，其延伸率（9.7%）也遠(yuǎn)低于取向相同的單晶SX1（15.9%）。，

圖3 (a) 在標(biāo)準(zhǔn)極射赤面三角形中由{111}<110>滑移系主導(dǎo)的晶格旋轉(zhuǎn)過程示意圖；(b) 在標(biāo)準(zhǔn)極射赤面三角形中由{111}<112>滑移系主導(dǎo)的晶格旋轉(zhuǎn)過程示意圖；具有不同偏離角(DA)并遵循理論取向演化路徑的晶粒：(c) SX1, (d) SX2, (e) BX1, (f) BX2；以及偏離理論取向演化路徑的晶粒：(g) BX3, (h) BX4。箭頭從初始取向指向斷裂后取向。

所有含近[001]晶粒樣品的實(shí)際旋轉(zhuǎn)路徑均與{111}〈110〉滑移系主導(dǎo)的理論路徑高度吻合，證明在650°C拉伸變形過程中，{111}〈110〉是主導(dǎo)的滑移系。值得注意的是，在雙晶試樣BX3和BX4中，當(dāng)兩個(gè)晶粒均嚴(yán)重偏離[001]方向時(shí)，其實(shí)際的取向旋轉(zhuǎn)方向與理論路徑出現(xiàn)了輕微偏差，這意味著晶粒間的相互作用會(huì)對(duì)彼此的取向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生干擾。

圖4 斷裂標(biāo)距段的EBSD圖：SX1、SX2、BX1、BX2、BX3和BX4的KAM圖和IPF圖。BX樣品中晶粒G2內(nèi)的高亮區(qū)域?qū)?yīng)虛線圓內(nèi)初始取向附近的取向擴(kuò)展。

圖4展示了各試樣拉伸斷裂后的KAM圖和反極圖IPF圖。在單晶試樣SX1和SX2以及取向相近的雙晶BX1中，應(yīng)變分布相對(duì)均勻，整個(gè)截面未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。然而，在存在大角度晶界的雙晶試樣BX2、BX3和BX4中，晶界附近出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中，KAM值高達(dá)晶內(nèi)區(qū)域的2–3倍。這表明晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的阻礙作用，導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界處塞積，形成局部高應(yīng)力區(qū)。IPF圖進(jìn)一步揭示了晶界對(duì)取向旋轉(zhuǎn)的約束作用。在雙晶試樣中，晶界附近區(qū)域的取向旋轉(zhuǎn)幅度明顯小于晶粒內(nèi)部區(qū)域；在同一水平位置上，距離晶界越遠(yuǎn)，取向變化越大，而緊鄰晶界的區(qū)域取向幾乎保持不變。這種由晶界約束導(dǎo)致的局部變形不協(xié)調(diào)，是裂紋在晶界處優(yōu)先萌生的直接原因。

圖5 極圖顯示橫截面上激活的滑移系取向：(a1和a2)、(b1和b2)、(c1和c2)分別代表樣品BX2、BX3和BX4的晶粒G1和G2。紅色實(shí)線箭頭表示在相鄰晶粒沿綠色箭頭方向收縮產(chǎn)生的力（黃色箭頭）作用下，理論滑移方向（紅色虛線）上的實(shí)際滑移方向。

圖5展示了不同雙晶試樣中激活滑移系的空間分布關(guān)系，并揭示了晶粒間相互作用導(dǎo)致取向旋轉(zhuǎn)方向偏離的力學(xué)機(jī)制。在BX2試樣中，左側(cè)接近[001]取向的G1晶粒激活了多個(gè)滑移系，從而允許右側(cè)G2晶粒沿理論路徑旋轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)明顯偏離。而在BX3和BX4試樣中，兩個(gè)晶粒均嚴(yán)重偏離[001]取向，每個(gè)晶粒僅能激活一個(gè)最有利的{111}〈110〉滑移系。在拉伸變形過程中，單個(gè)晶粒會(huì)沿著其激活滑移系的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生伸長(zhǎng)和徑向收縮。G2的徑向收縮會(huì)對(duì)左側(cè)的G1施加一個(gè)向右的水平分力，導(dǎo)致G1的取向向右偏轉(zhuǎn)；同樣，G1的徑向收縮也會(huì)對(duì)G2施加向左的水平分力，導(dǎo)致G2的取向向左偏轉(zhuǎn)。這種相互作用的側(cè)向力使得兩個(gè)晶粒的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向均偏離了理論預(yù)測(cè)的路徑，產(chǎn)生了變形不協(xié)調(diào)。

圖6 不同取向構(gòu)型BX的變形機(jī)理圖：(a) 一個(gè)晶粒接近[001]取向，另一個(gè)晶粒偏離；(b) 兩個(gè)晶粒均存在取向差。激活的滑移面和滑移方向分別由藍(lán)色虛線和紅色箭頭標(biāo)示。

圖6以示意圖的形式概括了雙晶變形模型。當(dāng)一個(gè)雙晶試樣中包含一個(gè)接近[001]取向的晶粒時(shí)，該晶粒能夠激活多個(gè){111}〈110〉滑移系，有效協(xié)調(diào)和緩沖相鄰偏離晶粒變形所帶來(lái)的不均勻應(yīng)力。當(dāng)兩個(gè)晶粒均嚴(yán)重偏離[001]取向時(shí)，每個(gè)晶粒各自只能激活最有利的一個(gè)滑移系，這種變形不協(xié)調(diào)使得應(yīng)力集中加劇，晶界處更早萌生裂紋，最終導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和延伸率均大幅下降。

4.結(jié)論與展望

該研究系統(tǒng)揭示了實(shí)際定向凝固葉片中，由晶粒取向偏離和晶界共同主導(dǎo)的高溫變形機(jī)理。該研究成果為預(yù)測(cè)含有晶界缺陷的定向凝固葉片力學(xué)性能提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的缺陷檢測(cè)具有重要的工程價(jià)值。

5通訊作者簡(jiǎn)介

郭敏，女，博士，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，先進(jìn)高溫合金陜西省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。長(zhǎng)期從事高性能高溫合金及其復(fù)雜構(gòu)件凝固成形基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目課題1項(xiàng)、“兩機(jī)專項(xiàng)”項(xiàng)目子課題2項(xiàng)、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈1項(xiàng)等國(guó)家/省部級(jí)項(xiàng)目十余項(xiàng)，參與其它國(guó)家自然基金重點(diǎn)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目4項(xiàng)。在Adv Funct Mater，J Mater Sci Technol，Scripta Materialia等知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文96篇，其中SCI 收錄85篇；授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利21件，公開美國(guó)發(fā)明專利2 件。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等/二等獎(jiǎng)各1 項(xiàng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、陜西高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)特等/一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)；獲陜西省金屬學(xué)會(huì)“陜西冶金青年科技標(biāo)兵”稱號(hào)，擔(dān)任《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》中英文版青年編委。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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