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ON2020-09-30文章來源 創意與藝術學院CATEGORY新聞

我校創意與藝術學院智造系统工程中心张振波课题组近期与國際合作者研究发现多晶鎳基高溫合金中孪晶界更易于诱发裂纹萌生扩展,通过多尺度结构表征和第一性原理计算,首次從原子尺度揭示了該反常現象的物理機制,對于調控多晶鎳基高溫合金的性能具有重要意義。相關成果于9月29日以題爲”Strain localisation and failure at twin-boundary complexions in nickel-based superalloys”發表于國際著名期刊Nature Communications (Doi: 10.1038/s41467-020-18641-z)。

鎳基高溫合金具有优良的高温强度和氧化腐蚀抗力,是制造航空发动机和燃气轮机等高温高压部件的关键结构材料,也是核电、深海等领域广泛应用的结构材料。在这些苛刻的工况下服役时,晶界被视为鎳基高溫合金的“阿喀琉斯之踵”,沿晶界斷裂是多晶鎳基高溫合金失效的最主要原因之一。鎳基高溫合金由于低的层错能,合金中高达50%的晶界是退火过程中形成的孪晶界。相对于普通晶界,共格孪晶界具有较低的界面能和较高的裂纹萌生扩展抗力,因此一般认为在工程合金中引入更多的孪晶界可以显著提升合金的服役寿命。然而近年来一些研究发现 (Nat. Commun. 6:6164, 2015; Acta Mater. 103,461-473, 2016),多晶鎳基高溫合金中孪晶界更易于诱发裂纹萌生和扩展。由于鎳基高溫合金成分和组织的复杂性,孪晶界的负面效应的内在机制尚不明确,导致很难通过调控合金的组织成分来降低或避免孪晶界的负面效应,制约了合金在安全系数要求极高的航空等领域的应用。

针对多晶鎳基高溫合金中(Incoloy 945x和Inconel 718),研究人员通过原位力学实验观察到位錯在孿晶界處優先開動,並導致在孿晶界處顯著的應變局域化,如圖1所示。通過對孿晶界的多尺度結構和力學響應的表征,發現合金中γ″相在孿晶界上獨特的析出行爲(鏡像對稱的V字形結構)是导致孪晶界处應變局域化的根本原因,如图2所示。结合原子尺度分析和DFT第一性原理计算,研究人员发现共格孿晶界爲γ″相的析出提供了結構和能量上的優勢,从根本上揭示了γ″相在孪晶界上特殊析出行为的物理本质,如图3所示,表明该现象对于γ″相强化的鎳基高溫合金具有普适性。在此发现的基础上,研究人员研究了鎳基高溫合金在含氢环境下的断裂行为,成功解釋了孿晶界誘發氫致裂紋萌生擴展—这一困扰鎳基高溫合金领域多年的问题,如图2所示。

图 1 原位拉伸观察位错滑移带(黑色箭头)优先沿孪晶界(红色的线)开动


图2 孪晶界(TBs)上V字形γ″相,以及由V字形γ″相导致的位错滑移带(DSBs)优先开动与氢致裂纹萌生扩展


图3 γ″相和δ相的原子分布(a,b),跨过孪晶界两侧的原子结构图(c),以及高分辨STEM图表明孪晶界上三层原子形成了类δ相结构(d,e)

該研究是首次在金屬材料中發現低能孿晶界面可以作爲第二相優先析出的界面,且此反常行为对材料的综合力学性能有显著影响。由于该现象的物理机制源自于γ″相和孪晶界的特殊原子结构,与合金中其它元素含量无直接关联性,此发现对于所有γ″相强化的鎳基高溫合金具有普适性。在充分理解孪晶界反常行为物理本质的基础上,研究人员提出了通过调控热处理制度等方式来缓解鎳基高溫合金中孪晶界对性能的负面影响的可行方案,对鎳基高溫合金综合性能的提升和服役寿命的可靠预测具有重要意义。

上海科技大學張振波爲論文的第一作者兼通訊作者,曼彻斯特大学教授Michael Preuss为论文共同通讯作者,平安彩票为论文的第二完成单位。瑞典皇家理工学院卢松和杨志彪参与完成了第一性原理计算,英国石油公司Roberto Morana也参与了该项目的研究工作。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18641-z