《Materials & Design》：Creep-coordinated behaviors of the σ phase with stacking disordering defects in a Ni-based single crystal superalloy
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本文针对Ni基单晶高温合金中拓扑密堆(TCP)相的传统难题，创新性地提出了通过调控σ相(001)σ堆垛无序缺陷实现蠕变协调的新策略。研究团队通过原子尺度表征和第一性原理计算，系统阐明了堆垛无序缺陷在调节界面失配、转变生长模式和协同变形中的关键作用，使得σ相能够优化界面适应性、促进球形化形态并突破传统脆性，显著提升了合金的高温蠕变性能。该工作为通过操纵TCP(σ)相设计高性能合金提供了新见解。
在航空发动机领域，Ni基单晶高温合金(Ni-SXs)因其卓越的高温性能成为涡轮叶片的关键材料。然而，随着合金复杂度的提升，难以避免地会析出拓扑密堆(TCP)相，这些硬而脆的相传统上被视为"微结构杀手"——它们不仅消耗强化元素，还因有限的滑移系难以协调变形，导致界面应力集中和微裂纹形成。更为棘手的是，常规通过添加Ru元素来抑制TCP相析出的策略又会显著增加成本和密度。面对这一两难困境，是继续走抑制之路，还是另辟蹊径实现对TCP相的"驯化"？
北京航空航天大学研究团队在《Materials》上发表的研究给出了令人振奋的答案。他们不再将σ相视为敌人，而是通过巧妙设计，使其转变为在蠕变过程中能够与基体协调变形的"盟友"。研究人员设计了一种含有堆垛无序缺陷的蠕变协调σ相，这种相在Ni基单晶高温合金中表现出与传统认知截然不同的行为。
为了深入探索这一现象，研究团队综合运用了多种先进表征技术。他们通过扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，利用透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)进行纳米尺度的形貌观察和元素识别，特别是采用高角度环形暗场(HAADF)成像和原子分辨率能量色散X射线光谱(EDS)进行元素分布分析。几何相位分析(GPA)算法被用于测量应变场分布，而第一性原理计算则为理解缺陷形成机制提供了理论支撑。
3.1. 合金的蠕变性能和微观结构
研究显示，在1100℃/137MPa条件下，该合金的蠕变断裂时间达到1409小时，表现出优异的抗蠕变性能。与初始状态相比，蠕变测试后的合金中γ'相发生明显粗化和互联，同时σ相以垂直于外加应力或偏离约±23°的方向析出。尽管有TCP相析出，合金的整体微观结构稳定性和高温蠕变性能几乎未受影响。
3.2. 蠕变应力和无应力条件下的σ相
中断蠕变实验表明，在蠕变应力条件下，σ相早期就呈现短棒状和球状形貌，而在无应力条件下则呈现大板状形貌。统计结果表明，蠕变应力显著改变了σ相的形貌，抑制了其纵向生长，但同时促进了σ相的形核，导致其数量增加。
3.3. (001)σ堆垛无序缺陷的原子结构和元素占位
原子尺度分析揭示，σ相的正常结构由四种原子层沿[001]σ方向堆垛而成。堆垛无序缺陷区域的面间距从约4.9?减小至约4?，缺陷内仅包含两个紧密堆积的原子层。成分类分析表明，缺陷区域主要由Ni和Mo原子组成，缺乏Re原子。
3.4. (001)σ堆垛无序缺陷的形成机制
研究发现，Ni和Re元素占位的变化是缺陷形成的关键。在高Ni低Re的析出环境下，Ni原子会更多地占据8j位置，而Re占位显著降低。第一性原理计算表明，Ni占据8j位置会降低界面稳定性，而Re占据则相反。堆垛无序缺陷的形成能较高，但其形成有助于调节界面失配。
3.5. σ相的界面调控和生长模式转变
蠕变应力通过促进堆垛无序缺陷的形成，改变了σ相的生长模式。缺陷的大量形成抑制了σ相的外延生长，同时通过调节界面失配促进了层状堆垛生长，最终导致σ相呈现细小球状和弥散分布的形貌。
3.6. σ相变形能力的转变
研究发现σ相通过两种方式协调变形：局部晶格畸变和非晶化。堆垛无序缺陷的形成降低了σ相晶格畸变的阈值，使其能够与基体协同变形。此外，在严重变形环境下，σ相局部区域会发生非晶化转变，进一步协调变形。
3.7. σ相蠕变协调行为对蠕变性能的影响
与传统TCP相的有害影响不同，本研究中的σ相通过堆垛无序缺陷实现了与基体的协调变形。这种"驯化"后的σ相保持了球形形貌和稳定的析出分量，有效抑制了微观结构弱点的放大，缓解了对蠕变性能的"短板效应"。
该研究的核心创新在于实现了对σ相从"抑制"到"利用"的理念转变。通过调控堆垛无序缺陷，研究人员成功地将传统上不利于合金性能的TCP相转变为能够协调蠕变变形的有益相。这一策略不仅为高性能Ni基单晶高温合金的设计提供了新途径，也为其他合金体系中类似问题的解决提供了重要借鉴。相比传统添加昂贵Ru元素的方法，这种通过微结构调控提升性能的策略更具成本效益和可持续性，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
