《Materials & Design》：Understanding microstructure-sensitive deformation mechanisms in AMed IN738LC superalloy via
in-situ EBSD-DIC
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为解决增材制造(AM)IN738LC高温合金因非均匀微观结构(高初始位错密度、残余应力)导致的变形行为难以预测的问题，研究人员开展了集成原位EBSD-DIC与“溯源”(trace-back)算法的微变形表征研究。结果表明，初始几何必需位错(GND)抑制应变/晶格旋转累积，而晶界析出相显著增强应变分异和旋转局域化。该研究为AM合金微观结构调控以优化力学性能提供了新见解。
增材制造技术为航空航天领域高性能复杂部件的快速成型带来了革命性变革，然而，其快速冷却和显著温度梯度的工艺特性，使得成型件内部存在晶粒尺寸分布不均、高初始位错密度以及残余应力等突出的微观结构异质性问题。这些“先天不足”虽然能通过位错强化等机制提升材料的屈服强度，但它们如何影响材料在后续服役过程中的塑性变形行为，至今仍是未解之谜。究其根源，在于缺乏能够在大尺度范围内精确表征变形场，并能清晰揭示微观结构特征与变形量之间因果关系的实验方法。传统的扫描电镜-数字图像相关技术虽能测量二维应变，却无法捕捉至关重要的三维晶格旋转信息；而原位电子背散射衍射虽能跟踪晶体学旋转，却难以在变形前后建立精确的点点对应关系，导致统计意义不足。正是为了突破这些技术瓶颈，一项针对激光粉末床熔融制备的IN738LC高温合金的微观结构敏感变形机制研究得以展开，相关成果发表在《Materials》上。
研究团队核心采用了集成原位EBSD-DIC的力学测试方案，并创新性地开发了一套“溯源”算法。该算法巧妙利用DIC获取的全场位移数据，将变形后EBSD测得的晶体学取向信息精确映射回初始未变形状态，从而实现了应变、三维晶格旋转和GND密度等关键参量在统一坐标系下的点点对应分析。此外，团队还建立了位错晶体塑性有限元模型，深入探究了晶界析出相对局部变形分异的影响。
研究发现，变形过程中应变高度局域化，特别是在晶界附近。研究揭示了两种截然不同的面外晶格旋转模式：一种是初始GND介导的、分散的晶内旋转；另一种则是由软硬晶粒交互作用主导的刚性体旋转。统计表明，较高的初始GND密度会抑制后续的应变、晶格旋转和位错积累。CPFE模拟进一步阐明，晶界处的析出相（如初生γ′相和碳化物）显著加剧了应变分异和旋转局域化，尤其在细晶区域更为明显。统计存储位错密度与应变和晶格旋转的增益呈正相关，而GND密度的演化在局部与应变增益无关。
主要研究结果
1. 未变形状态下的微观结构特征
研究首先表征了热等静压+固溶时效处理后的AM态IN738LC的初始状态。EBSD分析显示，存在明显的残余塑性应变和残余应力，二者呈负相关关系，以满足变形协调性。初始GND密度集中分布在晶内呈“条带状”的低角晶界区域（2°-15°）。样品同时存在非均匀的晶粒尺寸分布，细晶簇倾向于沿<001>取向排列，呈现较强的局部织构，而大晶粒取向则更随机。
2. 变形过程中应变模式的演化
通过DIC分析应变场（εxx, εxy, εyy, εzz）的演化发现，应变呈现显著的不均匀性。虽然宏观平均应变为4.26%，但局部应变可达10%，而部分区域几乎未变形。大晶粒（如G1, G5）通常表现为沿拉伸方向（x向）正应变（εxx> 0）和横向（y向）负应变（εyy< 0）。然而，G2及其邻近晶粒（G3, G4）却表现出双轴拉伸的异常应力状态（εxx> 0, εyy> 0），为维持体积不变，该状态由负的εzz（局部厚度减薄）所补偿。显著的应变局域化出现在G2/G3、G2/G4晶界以及G1、G5等晶粒内部。
3. 变形过程中晶格旋转的演化
研究对比了仅基于DIC位移梯度计算的二维面内旋转和基于“溯源”算法获得的三维晶体学晶格旋转。发现G1晶粒内部分散着由应变局域化驱动、幅度较小的晶内旋转；而G2晶粒则发生了显著的刚性体旋转。这种差异源于晶粒间的软硬交互作用：为了协调软晶粒（如G6）和硬晶粒（如G3, G4）之间的变形，处于过渡区域的G2通过刚性旋转和伴随的严重晶界滑移来适应变形不相容性。Luster-Morris因子计算表明，G2与相邻晶粒间的m'值极低，严重阻碍了位错跨晶界传递，导致位错在晶界处塞积，从而促进了G2周围的应变和旋转局域化。
4. 应变与晶格旋转的关联性
统计结果显示，应变与晶体学晶格旋转之间存在近似的正比关系。在此线性关系之外，识别出三个特征区域：I区（应变无关的大旋转）主要位于低角晶界和发生刚性体旋转的G2区域，表明此类旋转主要用于适应异质变形，与局部应变关联较弱；II区位于G2的晶界上，滑移传递受阻同时产生了高应变和大晶格旋转；III区位于G2晶界外侧，表现出较小的晶格旋转但较大的应变，这是由位错塞积诱导的应变局域化所致。
5. AM诱导微观结构对变形行为的影响
统计关联分析揭示，初始GND密度与后续的应变、晶格旋转增益呈负相关，表明AM引入的初始位错提供了位错强化，阻碍了后续变形。而SSD密度则与应变增益呈强线性正相关。值得注意的是，应变和晶格旋转的增益集中在残余应力接近零的区域，而非高残余拉应力区，这表明初始位错硬化程度较低的区域更易发生变形局域化。CPFE模拟明确显示，晶界析出相的存在显著增强了细晶粒（如G2）周围的应变和晶格旋转局域化，明确了这些区域是潜在的早期损伤萌生位置。
结论与展望
本研究通过集成原位EBSD-DIC实验和CPFE模拟，成功揭示了AM制备IN738LC高温合金在塑性变形过程中，其初始微观结构异质性（特别是初始GND和晶界析出相）对应变局域化、三维晶格旋转和位错演化的深刻影响。研究明确了初始GND的抑制效应和晶界析出相的局域化增强效应，并建立了应变、晶格旋转与不同类型位错密度之间的定量关联。所开发的“溯源”框架为理解AM合金的微变形机制提供了强有力的工具，研究结论对于通过精准调控微观结构来优化AM合金的力学性能具有重要的指导意义。未来，结合中子衍射等体表征技术，将有望更深入地揭示材料内部的变形行为，进一步推动高性能AM合金的发展。
