由于鎳基單晶高溫合金[001]取向具有優異的綜合性能且為合金擇優生長方向，因此單晶渦輪葉片軸向通常沿著合金的[001]取向。然而，目前工業上用于單晶葉片生長的選晶法技術無法確保葉片軸向取向嚴格沿著合金的[001]取向，葉片軸向總會與合金[001]取向存在一定的取向偏離度。盡管工業界常將一次取向偏離[001]方向15°以內的葉片定為取向合格葉片，但是不同取向偏離的單晶葉片在服役過程中卻表現出極大的壽命差異，這種差異尤以處在中溫高應力服役條件的榫頭、葉根和氣冷通道等部位最為明顯。因此，研究近[001]取向單晶高溫合金中溫高應力蠕變行為，澄清其取向敏感性機理，有助于闡明單晶葉片在實際服役過程中的損傷行為，為工業界單晶葉片制備及一次取向精確控制提供理論支持。

日前，來自西北工業大學材料學院、凝固技術國家重點實驗室的楊文超教授團隊通過研究近[001]取向單晶高溫合金在中溫蠕變過程中的取向轉動行為，揭示了近[001]取向試樣的取向轉動路徑，量化了取向偏離方向對中溫蠕變不同階段的影響，評估了不同滑移系對中溫蠕變壽命及蠕變應變的貢獻，揭示了鎳基單晶高溫合金在近[001]取向中溫蠕變行為的取向敏感機理。研究發現，蠕變三階段具有不同的主導滑移系，盡管近[001]取向試樣具有相近的取向偏離角，但由于主導滑移系的開動和取向轉動路徑不同，導致偏向[001]-[111]邊界的樣品產生了更大的取向轉動程度，進而造成了更大的變形不均勻，使得試樣局部應力集中加劇，最終導致偏向[001]-[111]邊界樣品具有較差的蠕變壽命。相關研究成果以“Unveiling the orientation sensitivity of creep life in near [001] oriented Ni-based single crystal superalloys at intermediate temperatures”為題發表于國際塑性力學領域頂刊《International Journal of Plasticity》(IF=9.4)上。該工作的第一作者為西北工業大學材料學院博士生屈鵬飛，通訊作者為楊文超教授，西北工業大學為唯一通訊作者單位。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104035

圖1a描述了單晶葉片三維坐標系與鎳基單晶高溫合金三維取向的關系，葉片軸向Z與合金的[001]取向z之間存在一定的取向偏差，其取向偏離角為θ。工業界通常規定兩者之間的夾角θ小于15°的葉片為合格產品。然而，同樣是一次取向偏離角為15°的葉片其晶體取向呈現圓錐形分布（圖1a），這就造成合格單晶葉片的晶體取向存在離散分布的現象。Mackay等人的研究結果已經表明(Metallurgical Transactions A, 13 (1982) 1747-1754)，近[001]取向樣品的中溫高應力蠕變壽命具有明顯的取向敏感性（圖1b），在同樣偏離[001]取向15°的樣品中，不同取向單晶的蠕變壽命存在巨大差異，其中靠近[001]-[101]邊界試樣的蠕變壽命要明顯高于靠近[001]-[111]邊界試樣的蠕變壽命，同時他們提出了蠕變過程中{111}<112>滑移系引起取向轉動而導致這一現象的機理，然而他們卻忽略了蠕變過程中的{111}<110>滑移系，且僅關注了蠕變某一階段，缺乏對兩類滑移系和整個蠕變過程的考量。

圖1. 單晶葉片取向偏離度及對中溫蠕變壽命的影響：(a) 單晶葉片坐標系與單晶高溫合金三維取向的關系圖；(b) 單晶高溫合金“晶體取向-蠕變壽命”關系圖

針對這一問題，本文在總結了{111}<110>滑移系（圖2a）和{111}<112>滑移系（圖2b）主導的取向轉動行為基礎上，首先提出了近[001]取向樣品在蠕變過程中可能存在的三種取向轉動模式（圖2c），其中模式A為直接轉動模式，模式B則是完全由{111}<112>滑移系主導的轉動路徑，模式C則是{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系共同作用的取向轉動模式。隨后本文分析了這三種模式的可能性，分析表明{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系共同作用的取向轉動模式最有可能。

圖2. 不同取向轉動模型分析：(a) {111}<110>滑移系主導的取向轉動示意圖；(b) {111}<112>滑移系主導的取向轉動示意圖；(c) 近[001]取向樣品在蠕變過程中可能的取向轉動模式

為了揭示近[001]取向中溫高應力蠕變過程中的取向轉動模式，本文選取了一個初始取向為[1.97, 0.27, 9.80]的試樣在750 ℃/750 MPa條件下進行中溫蠕變及中斷實驗，該試樣的初始取向偏向[001]-[101]邊界，與[001]極點大約存在11.82°的取向偏離度。圖3描述了不同階段的取向變化以及微觀組織演化。在蠕變第一階段（Ⅰ到Ⅲ），試樣的晶體取向從[001]-[101]邊界朝著[001]-[111]邊界轉動，這符合{111}<110>滑移系主導的取向轉動規律。在蠕變第二階段（Ⅲ到Ⅴ），試樣的晶體取向主要是從[001]-[111]邊界朝著[001]-[101]邊界轉動，在蠕變第三階段（Ⅴ到Ⅵ），試樣則沿著[001]-[101]邊界朝[001]極點轉動，最終試樣在[001]極點附近發生斷裂。很明顯，蠕變第二和第三階段的取向轉動路徑符合{111}<112>滑移系主導的轉動規律。因此，本文認為中溫蠕變過程中取向轉動是由{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系共同作用導致的，其中{111}<110>滑移系主導了蠕變第一階段，{111}<112>單滑移主導了蠕變第二階段，{111}<112>共軛雙滑移主導了蠕變第三階段。

圖3. 近[001]取向試樣在750 ℃/750 MPa蠕變中，不同階段的取向變化及微觀組織演化

為了評估取向偏離方向對蠕變性能的影響，圖4進一步對取向偏離角度相近但取向偏離方向不同的兩個試樣在750 ?C/750 MPa條件下進行拉伸蠕變測試，并分析了兩個樣品不同階段蠕變壽命和蠕變應變的差異。樣品A的晶體取向靠近[001]-[101]邊界，與[001]取向存在7.83°的偏離度，其在750 ?C/750 MPa條件下，蠕變壽命大約為115.13 h（圖4a）；樣品B與[001]取向的偏離度與試樣P比較相近，大約為8.38°，但更加靠近[001]-[111]邊界，并且試樣B的蠕變壽命則要遠遠小于試樣A，大約為43.73 h（圖4b），僅僅是試樣A蠕變壽命的37.67%。通過定量分析發現兩個近[001]取向試樣在不同蠕變階段的滑移系所主導蠕變壽命占比和蠕變應變占比都存在巨大差異（圖4c-f），試樣A中{111}<110>滑移系主導的蠕變壽命為9.45 h，占總蠕變壽命的8.21%，{111}<112>滑移系主導的蠕變壽命為105.68 h，占總蠕變壽命的91.79%，試樣B中{111}<110>滑移系和{111}<112>滑移系主導的蠕變壽命分別為11.09 h和32.64 h，蠕變壽命占比則分別為25.36%和74.64%。試樣A中{111}<110>滑移系引起的應變為9.97%，占總應變的34.10%，{111}<112>滑移系造成的應變為19.27%，占總應變的65.90%。試樣B中{111}<110>滑移系引起的應變為16.12%，占總應變的50.88%，{111}<112>滑移系造成的應變為15.76%，占總應變的49.12%。因此，偏向[001]-[111]邊界的試樣，蠕變第一階段的蠕變壽命和應變量的占比要遠遠大于其他取向的試樣，這也意味著{111}<110>滑移系在偏向[001]-[111]邊界試樣的中溫蠕變中影響更大。

圖4. 取向偏離方向對不同蠕變階段壽命和應變的影響

在確定不同階段主導滑移系之后，圖5進一步描述了相同取向偏離度下不同位置試樣的取向轉動路徑。在蠕變第一階段，靠近[001]-X邊界的樣品相對于靠近[001]-Y邊界的樣品會在{111}<110>滑移系作用下轉動到更加遠離[001]極點和[001]-Y邊界的位置。這就造成在蠕變的第二階段，試樣需要更大的轉動角度才能夠到達[001]-Y邊界，從而產生{111}<112>雙滑移。由于第二階段轉動程度增大，使得蠕變第三階段中晶體取向不能到達[001]極點就過早發生斷裂。試樣的初始取向越靠近[001]-X邊界，斷后取向則越遠離[001]極點。

圖5. 相同取向偏離度下，初始位置不同試樣的取向轉動路徑

為了澄清主導滑移系開動對不同階段蠕變行為的影響機制，圖6對蠕變不同階段開動滑移系的Schmid因子進行分析，并分析了各滑移系開動情況對蠕變行為的影響，提出靠近[001]-[111]邊界的試樣在蠕變第一階段具有較大蠕變應變的原因主要為以下三點：①導致試樣轉動的{111}<110>滑移系具有較大的Schmid因子；②試樣容易受到共軛雙滑移的影響；③導致(111)[-1-12]滑移系開動的{111}<110>滑移系的Schmid因子較小，需要更大的應變變形才能夠形成足夠的基體位錯，并通過彼此之間的反應使更多(111)[-1-12]滑移系開動，以滿足能夠引起取向轉動的 (111)[-1-12]滑移系的閾值。

圖6. 蠕變不同階段開動滑移系的Schmid因子分析

最終，本文建立起了鎳基單晶高溫合金近[001]取向中溫蠕變取向敏感機理圖（圖7）。首先，在偏離[001]取向相同角度下，靠近[001]-[111]邊界試樣在蠕變第一階段需要累積較大的變形程度才能產生足夠的{111}<112>滑移系，進而才能使得蠕變第二階段開啟。其次，蠕變第一階段較大的取向轉動程度會使得樣品在蠕變第二階段中需要更大的轉動角度才能到達[001]-[101]邊界，從而開啟{111}<112>滑移系的雙滑移。最后，較大的轉動程度會導致更大的變形不均，并使得試樣局部應力集中的程度加劇，最終導致靠近[001]-[111]邊界試樣具有較差的蠕變壽命。

圖7. 近[001]取向中溫蠕變取向敏感機理圖

通訊作者：

楊文超，西北工業大學材料學院、凝固技術國家重點實驗室長聘教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者。主要從事鋁合金、高溫合金及其零件凝固成形基礎和應用研究，承擔國家自然科學基金、工信部強基工程、國家重點研發計劃等縱向課題12項、中國航發集團等橫向課題15項；入選中國科協青年人才托舉工程、陜西省杰青和湖南省100個科技創新人才，獲中國產學研合作創新獎、中國精品科技期刊頂尖學術論文獎、陜西省科學技術一等獎和陜西省航空學會青年科技獎；在International Journal of Plasticity、Journal of Materials Science & Technology、Materials Research Letters、Scripta Materialia等期刊發表SCI論文100余篇，授權國家發明專利18件。現任中國金屬學會電磁冶金與強磁場材料科學分會委員，陜西省航空學會理事會理事，陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心委員會委員等職。