《Materials Science and Engineering: A》：Effect of secondary orientation and wall thickness on the creep behavior of a fourth-generation Ni-based single crystal superalloy with film cooling holes
编辑推荐：
研究了第四代镍基单晶超合金（Ni-SXs）在1100°C/137MPa下的高温应力断裂性能，揭示了次生晶向<100>和<110>以及厚度对断裂寿命的影响规律，微观机制涉及氧化和位错激活。
Kuo Jiang|Jinlai Liu|Naicheng Sheng|Keqiang Qiu|Yinglei Ren|Jinguo Li
沈阳工业大学材料科学与工程学院，中国沈阳，110870
摘要：
本研究调查了第四代镍基单晶超合金（Ni-SXs）在高温下的应力断裂性能。实验重点关注了该合金在1100°C/137 MPa条件下的应力断裂特性，并探讨了薄膜冷却孔（FCHs）对样品厚度效应以及<100>和<110>方向次生枝晶的影响。实验结果表明，氧化和内部位错激活显著影响了样品的断裂寿命。当<100>和<110>方向样品的壁厚从1.0毫米减少到0.3毫米时，<100>方向样品的断裂寿命从约120小时急剧下降到15.3小时，而<110>方向样品的断裂寿命从约128小时下降到65小时。对于1.5毫米厚的样品，<100>方向样品的蠕变断裂性能更好，断裂寿命为248小时，远高于<110>方向样品的210小时。这突显了高温应力断裂试验中厚度效应的重要性。从微观角度来看，薄壁样品的表面氧化对高温下的应力断裂性能有主导作用。在Ni-SXs的微观结构中，原子主要沿γ/γ′相界扩散。由于不同取向样品的表面原子排列不同，<100>方向的有效扩散距离比<110>方向短，从而加速了氧化过程。因此，在相同厚度下，<100>方向样品的断裂寿命明显低于<110>方向样品。当样品厚度超过1.0毫米时，塑性变形成为决定合金应力断裂性能的关键因素。FCHs改变了样品的内部应力分布。有限元模拟分析显示，在<110>{111}滑移系中，<110>方向样品的施密特因子（Schmid factor）高于<100>方向样品。进一步实验表明，<110>方向的样品具有较高的位错密度和更明显的晶格扭转程度。这些微观结构的差异导致<110>方向样品的断裂寿命较低，这也解释了为什么1.5毫米厚的<100>方向样品的断裂寿命高于<110>方向样品。本研究为理解Ni-SXs复杂结构的高温应力断裂性能提供了重要的理论基础。
引言
在航空航天领域先进燃气轮机发动机的设计中，Ni-SXs是制造关键涡轮叶片的材料之一。DD91合金表现出优异的综合性能，在航空发动机领域具有巨大潜力[1]、[2]。不同的晶体取向会影响合金的化学和物理性质的各向异性[3]、[4]。以<001>为主要取向的Ni-SXs通常具有良好的高温性能，并已得到广泛研究和应用[3]、[5]。现有研究表明，除了主要取向外，合金的机械性能还受到次生枝晶取向的影响[6]、[7]，但这种影响的具体机制尚未完全阐明。
Li发现，在中温蠕变试验中，当次生枝晶取向偏离[100]时，蠕变断裂寿命会缩短[8]。Kakehi和Latief[9]、[10]发现，在900°C/392 MPa条件下，[110]取向样品的断裂寿命比[100]取向样品更长，而在CMSX-4合金中观察到了相反的结果。Ghosh、Heep、Mackay等人[5]、[11]、[12]扩展了一般的蠕变变形模型，并使用滑移系方法解释了单晶的各向异性蠕变。研究人员认为，在单晶超合金的蠕变变形过程中，<110>{111}滑移系最有可能被激活。因此，在研究不同取向的断裂寿命时，需要综合考虑不同类型滑移系的影响。通过进一步研究，了解DD91合金在复杂环境中的各向异性至关重要。
随着航空发动机性能的不断提高，对涡轮叶片等部件的轻量化和高效冷却提出了更高的要求。薄壁结构的设计和FCHs技术的采用已成为提高冷却性能和减轻热端部件重量的有效方法。由于FCHs的存在，介质以喷射形式进入主流气流，覆盖叶片表面并形成冷却空气层，从而实现隔热和冷却功能[13]。Yu和Hu[14]、[15]使用有孔和无孔的板状样品模拟了薄膜空气冷却叶片，并确认FCHs的存在会导致FCHs周围的应力集中。此外，蠕变引起的损伤主要集中在FCHs区域。FCHs的存在对叶片的断裂形态有显著影响，从而破坏了叶片的结构完整性，成为常见的裂纹起始区域[16]、[17]、[18]。尽管现有研究部分解决了FCHs样品的断裂特性[19]、[20]、[21]、裂纹起始[22]和微观结构演变问题，但尚未形成全面的理解。这些研究主要涵盖了影响不同厚度和取向穿孔样品蠕变试验结果的关键因素、微裂纹起始区域、氧化的作用以及FCHs样品的应力状态变化。
此外，样品厚度也是影响机械性能的重要因素。不同厚度的样品在高温应力断裂试验中表现出明显的表面氧化、应力分布和内部微观结构演变差异，从而影响其蠕变断裂寿命。了解各向异性对不同厚度下高温应力断裂性能的影响规律，有助于优化材料的使用和设计，提高航空发动机热端部件的可靠性和蠕变寿命。关于存在FCHs的DD91薄壁样品的应力断裂性能的研究仍然较少。
基于上述背景，本研究将主要取向为<001>、次生取向为<100>和<110>的DD91 Ni-SXs样品加工成厚度分别为0.3毫米、0.5毫米、1.0毫米和1.5毫米的薄壁样品（T0.3、T0.5、T1.0和T1.5）。通过电火花加工（EDM）在样品的几何中心制备了FCHs。通过高温应力断裂试验，系统研究了不同取向和厚度对样品机械性能的影响，并深入分析了其内部机制。目的是为DD91单晶超合金在航空发动机热端部件中的应用提供理论基础和技术支持。
实验
本研究使用的材料是第四代Ni-SXs（DD91），其化学成分见表1。[001]取向样品是通过定向凝固炉结合种子晶体和晶体选择方法制备的。铸造单晶板的尺寸为160毫米×55毫米×1.5毫米。使用LAUE-HT单晶取向检测仪器测量了样品的主要和次生取向。实验中仅考虑了
微观结构
图2显示了不同次生取向在截面上的枝晶形态。观察到，两种情况都表现出典型的镍基超合金十字形枝晶图案。<100>取向合金的次生枝晶臂与样品边缘平行，而<110>取向样品的次生枝晶臂与样品边缘呈45°角倾斜。图3展示了直径为0.5毫米的FCHs的形态
施密特因子（Schmid factor）的计算
FCHs影响样品的应力状态，将单轴应力状态转变为复杂应力状态。考虑到应力三轴性对FCHs的变形和裂纹起始有显著影响[42]、[43]，因此有必要研究应力三轴性的变化，以科学地探讨FCHs的损伤机制。从相同实验条件下的结果可以看出，不同厚度样品不同区域的应力状态存在差异
结论
本研究使用不同壁厚的FCHs样品，研究了1100°C/137 MPa条件下Ni-SXs的薄壁效应。结论如下：
- (1)
次生取向为<100>的样品断裂寿命从T0.3的15.3小时增加到T1.5的248小时。次生取向为<110>的样品断裂寿命从T0.3的65小时增加到T1.5的210小时。这表明了显著的薄壁效应。此外，我们发现当
作者贡献声明
Yinglei Ren：验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Keqiang Qiu：验证、监督、资源提供、概念构思。Naicheng Sheng：验证、监督、概念构思。Jinguo Li：验证、资源提供、项目管理、研究。Jinlai Liu：验证、监督、概念构思。Kuo Jiang：撰写原始稿件、数据可视化、方法论研究、数据分析、形式化分析、数据整理、概念构思
未引用参考文献
[39]。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家科技重大项目（编号：J2019-Ⅶ-0019-0161）和中国国家自然科学基金（编号：92360302）的财政支持。
