第二代镍基单晶超合金在热疲劳过程中，内部微孔处产生微裂纹的起始过程

《Journal of Materials Science & Technology》：Initiation of microcracks at internal micropores during thermal fatigue of a second-generation nickel-based single crystal superalloy

单晶镍基合金热疲劳下微孔演变与裂纹萌生机制研究。通过分析25℃-1100℃循环热疲劳过程中微孔尺寸、体积分数及球形度的变化，发现微孔处应力集中促进局部塑性变形和位错滑移，γ/γ′界面处位错堆积形成低角晶界，经晶粒旋转和持续位错吸收演化为高角再结晶晶界，导致再结晶区微裂纹萌生。研究揭示了微孔-再结晶-裂纹的协同演化机制，为高温燃气轮机叶片热端部件寿命评估提供理论依据。

　　

Kuo Yin|Siliang He|Yihang Li|Song Lu|Longfei Li|Yunsong Zhao

北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，中国北京100083

摘要

热疲劳严重威胁着单晶（SX）导向叶片的使用安全性，而裂纹的萌生是影响镍基SX超合金热疲劳行为的关键因素。然而，影响热疲劳过程中内部裂纹萌生的因素仍不清楚。本研究探讨了第二代镍基SX超合金在25°C ? 1100°C温度范围内热疲劳过程中微孔和微观结构的演变以及裂纹的萌生情况。研究发现，随着疲劳循环次数的增加，微孔的大小和体积分数增大，但其球形度降低；同时，微孔处的应力集中加剧了局部塑性变形，促进了位错的增殖和移动。位错在γ/γ′界面处积累，并剪切进入γ′相，导致低角度晶界（LAGBs）的形成。这些LAGBs通过持续吸收位错和晶体旋转逐渐转变为高角度晶界，从而在微孔处引发再结晶（RX）。随着疲劳循环次数的增加，再结晶晶粒的大小和数量增大，使得在1000循环后微孔处的RX区域开始萌生微裂纹。基于这些发现，本研究有助于加深对镍基SX超合金热疲劳过程中微裂纹萌生的理解，并为提高导向叶片的使用安全性提供参考。

引言

镍基单晶（SX）超合金由于其优异的高温机械性能、抗氧化性和耐腐蚀性，成为航空发动机导向叶片的关键工程材料[[1], [2], [3]]。在服役过程中，由于高温梯度和快速冷却速率的影响，导向叶片容易发生热疲劳损伤[[4], [5], [6]]。这种损伤会导致热应力，并从薄弱区域引发裂纹的萌生和扩展，从而成为导向叶片失效的重要原因。

以往的研究广泛探讨了镍基SX超合金在有缺口试样热疲劳过程中的表面裂纹萌生和扩展[[6], [7], [8], [9]]。Pei等人[[9]]发现，热应力和高温氧化的共同作用导致缺口处裂纹的萌生，且裂纹长度随疲劳循环次数的增加而逐渐延长。除了表面裂纹外，热疲劳过程中还观察到了内部裂纹，这降低了镍基超合金的使用安全性[[10], [11], [12], [13]]。然而，镍基SX超合金在热疲劳过程中内部裂纹的萌生部位和机制仍不明确。

在铸造和后续热处理过程中，镍基SX超合金的枝晶间区域（IDRs）不可避免地会形成微孔[[14]]，这些微孔是机械疲劳过程中的主要裂纹萌生点[[15]]。Tan等人[[16]]发现，微孔会导致显著的应力集中，从而形成滑移带和变形孪晶，这些因素可能促进镍基SX超合金在疲劳过程中的裂纹萌生。Cervellon等人[[17]]还表明，在极高循环次数的疲劳过程中，微孔周围会出现显著的应力集中，这会促进再结晶（RX）的发生，并最终引发裂纹萌生。变形孪晶和再结晶晶粒在微孔处形成，从而加速了机械疲劳过程中的裂纹萌生。然而，微孔对热疲劳过程中裂纹萌生的影响尚不清楚。

以往的研究中，镍基SX超合金的热疲劳最大温度通常低于1000°C。而对于先进的导向叶片而言，其使用温度超过了1000°C。因此，本研究将通过分析枝晶间区域（IDRs）中微孔和微观结构的演变，探讨第二代镍基SX超合金在25°C ? 1100°C温度范围内的内部微裂纹萌生过程。这将有助于明确镍基SX超合金在热疲劳过程中的内部微裂纹萌生机制，并为提高导向叶片的使用安全性提供指导。

实验材料

本研究使用的材料为第二代镍基SX超合金，其成分范围见表1。所有单晶板均采用标准Bridgman工艺制备，其[001]方向的偏差小于10°。制备好的板材经过1290°C/1 h + 1300°C/2 h + 1315°C/4 h/AC的固溶处理以及1120°C/4 h/AC + 870°C/32 h/AC的时效处理，以进行后续的热疲劳测试。

实验步骤

热疲劳测试采用...

枝晶核心（DCs）中的γ/γ′相

图2展示了在25°C ? 1100°C温度范围内不同疲劳循环后，所研究镍基SX超合金枝晶核心（DCs）中的典型γ/γ′微观结构。微观结构参数的变化（包括γ′的体积分数和尺寸）已通过定量测量，并总结在表2中。图2(a)显示了标准热处理后的γ′相，其平均尺寸和体积分数分别为约477 nm和约69.2%。当经历少于500次疲劳循环时...

讨论

作为微裂纹萌生点的微孔对材料的蠕变和机械疲劳性能有显著影响[[15],[22],[23],[24]]。然而，微孔的演变及其对热疲劳过程中微裂纹萌生的影响仍不清楚。本研究揭示了在25°C ? 1100°C温度范围内，微孔的大小、体积分数和球形度均发生了变化。此外，微孔处的应力集中加剧了局部塑性变形，进一步促进了...

结论

本研究通过分析微孔的演变、局部塑性变形以及再结晶（RX）的形成，探讨了第二代镍基SX超合金在25°C ? 1100°C温度范围内热疲劳过程中微裂纹的萌生机制。主要结论如下：

1.

在热疲劳过程中，枝晶核心（DCs）中的γ′相在形态、体积分数和尺寸上基本保持不变。相比之下，枝晶间区域（IDRs）中的微孔尺寸和体积分数发生了变化

作者贡献声明

Kuo Yin：撰写初稿、进行形式分析、数据整理、概念构思。Siliang He：撰写、审稿与编辑、方法论设计。Yihang Li：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论设计。Song Lu：撰写、审稿与编辑、方法论设计、形式分析。Longfei Li：撰写、审稿与编辑、项目管理工作、形式分析。Yunsong Zhao：资金筹措、形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3708100）和国家自然科学基金（项目编号：52331005、52201100、52171095）的财政支持。