第一作者：任潇一通讯作者：张跃飞
单位：浙江大学
背景介绍
高温合金具有良好的高温强度及抗氧化、抗热腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性。由于其优异的综合性能，高温合金自诞生以来一直是航空发动机、火箭发动机、船舰和工业用燃轮机的关键热端部件材料，主要用于涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室等部位。镍基单晶高温合金具有各向异性的特点。其中，[001]取向显示出优良的机械性能，用于航空发动机叶片的高温合金也通常沿[001]取向。然而，在实际制造过程中，叶片将不可避免地产生取向偏差，叶片的复杂结构也会导致某些区域局部受到多方向的应力。因此，研究取向对镍基高温单晶合金的拉伸变形行为影响很有必要。
研究内容
本文基于课题组开发的原位拉伸测试系统，结合扫描电镜(SEM)与数字图像相关方法(DIC)，研究了[001] 和[314]取向的二代镍基单晶高温合金在室温下的拉伸变形断裂行为和微观结构演变之间的关系。结果显示，镍基单晶高温合金的力学性能具有各向异性。室温下镍基单晶高温合金的拉伸变形主要以滑移带剪切γ′相为主，其中[001]取向试样开启(111)[0-11]、(1-11)[011]滑移系，表现为交叉滑移；而[314]取向开启(111)[-110]滑移系，表现为单滑移。不同晶体取向激活的滑移系统及数量不同，滑移引起的塑性变形区扩展方向不同，由此造成不同的延伸率。室温下，不同取向的合金为类解理断裂机制。不同晶体取向的合金，开启滑移系的数目与难易程度不同，呈现出不同的断口形貌特征。
图文赏析
图1. 镍基单晶高温合金SEM显微组织图。a. [001]取向；b. [314]取向。
图2. SEM原位拉伸装置实物图。
图3. [001]取向试样不同应力状态下的DIC图像与SEM图像。缺口根部DIC图像：a. 533 MPa，b. 734 MPa， c. 882 MPa；试样表面的SEM图像：d. 882 MPa，e. 983 MPa，f. 断裂后图像。
图4. [001]取向试样不同应力状态下的SEM图像。a. 应力为734 MPa时试样表面形貌；b. Ⅰ区高倍SEM像，734 MPa；c，d. Ⅱ区高倍SEM像，应力分别为734 MPa，988 MPa。
图5. [314]取向试样不同应力状态下的DIC图像与SEM图像。缺口根部DIC图像：a. 697 MPa，b. 845 MPa，c. 903 MPa；试样标距段的SEM图像：d. 917 MPa，e. 959 MPa，f. 断裂后图像。
图6. [314]取向试样不同应力状态下的SEM图像。a. 应力为845 MPa时试样表面形貌；b. Ⅰ区高倍SEM像，845 MPa；c，d. Ⅱ区高倍SEM像，应力分别为845 MPa，928 MPa。
图7. 样品疲劳断口的SEM图像。[001]取向：a. 断口整体形貌图；b. A区高倍SEM图像；c. B区高倍SEM图像；[314]取向：d. 断口整体形貌图；e. Ⅲ区高倍SEM图像；f. C区高倍SEM图像。
结论与展望
本研究使用自主研发的原位拉伸设备，对[001]、[314]两种取向的镍基单晶高温合金进行了室温下原位拉伸实验，结合实时SEM图像和DIC方法，观察了合金拉伸过程中的应变演化，分析了微观组织结构与拉伸力学行为各向异性的关系，结合断口分析了其断裂机制，得出如下结论。(1) 镍基单晶高温合金的力学性能具有各向异性，[001]取向合金的屈服强度和抗拉强度较大，而[314]取向合金的延伸率与弹性模量较大。(2) 室温下镍基单晶高温合金的拉伸变形主要以滑移带剪切γ′相为主，[001]取向试样开启(111)[0-11]、(1-11)[011]滑移系，表现为交叉滑移；而[314]取向开启(111)[-110]滑移系，表现为单滑移。相比于[001]取向试样，[314]取向试样滑移形成的塑性变形区平行于加载轴向右扩展，轴向变形更大，这是其延伸率较高的主要原因之一。(3) 室温下，[001]和[314]取向的镍基单晶高温合金均为类解理断裂。[001]取向合金断口的裂纹源区显示多个滑移面相交形成的解理台阶；而[314]取向合金的断口整体为平行且有高度差的大平面，这是因为不同晶体取向的合金开启滑移系的数目与难易程度不同。欢迎个人和研究团队投稿—中国电镜网转载、合作、投稿联系微信：wellwelllife