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DZ411镍基超合金在650℃单向拉伸下晶粒取向偏差对力学性能的影响研究表明：单晶试样的屈服强度随取向偏差角增大从996 MPa降至871 MPa，双晶试样因晶间协调变形困难导致强度下降更显著，晶界对取向旋转产生约束作用。
杨文龙|郭敏|卢静远|张志成|杨敏|卢玉章|苏海军
西北工业大学凝固加工国家重点实验室，中国西安710072
摘要
由于定向凝固叶片中的错位晶粒会显著降低其机械性能，因此研究了DZ411镍基超级合金在650°C下沿凝固方向进行拉伸试验时的各向异性。实验样品直接取自燃气轮机叶片。在单晶（SX）中，当取向偏差角从2°增加到14°时，屈服强度从996 MPa降低到871 MPa。双晶（BX）的屈服强度对取向偏差角的敏感性更大。对于取向偏差角为5°和7°的BX样品，屈服强度为987 MPa。然而，当取向偏差角增加到（4,16）、（24,32）和（20,28）时，屈服强度分别降至708 MPa、701 MPa和688 MPa。电子背散射衍射结果表明，在拉伸变形过程中，晶粒的取向旋转主要由{111}<110>滑移系控制，且晶粒的旋转方向可能受到相邻晶粒的影响。此外，晶界（GB）限制了取向旋转，因为晶界的强度高于晶粒内部的强度，导致滑移带在晶界附近停止移动。在同一水平位置，距离晶界越远，取向变化越大。BX材料伸长率降低的主要原因是由于两个晶粒之间的取向差异，使得变形过程中难以协调它们的旋转方向。
引言
定向凝固（DS）超级合金通过消除横向晶界，能够在极高的温度条件下长时间运行，并已广泛应用于工业燃气轮机[[1], [2], [3]]。DS制造的叶片的主应力轴与有利的[001]晶向对齐，从而实现了优异的机械性能。随着对重型燃气轮机更高热效率的需求，叶片设计朝着更复杂的几何形状和更大的尺寸发展。这导致在定向凝固进展到燕尾部分时，温度梯度过低，使得沿凝固方向生长的粗大柱状晶粒容易发生取向偏差[4]。
镍基DS超级合金固有的强各向异性导致不同晶粒取向下的拉伸、蠕变、疲劳和腐蚀性能存在显著差异[[5], [6], [7], [8]]。Shi等人[9]系统研究了第四代单晶（SX）超级合金在800°C下的拉伸性能，发现[111]、[001]和[011]取向的屈服强度和抗拉强度依次降低。Huo等人[10]报告称，在第四代单晶超级合金中，[001]取向在900°C下的屈服强度较高，但伸长率较低。Wang等人[11]研究了SRR99合金从室温到900°C的各向异性行为，发现在此温度范围内[001]取向始终表现出最高的屈服强度，而[111]取向则表现出更好的应变硬化能力。值得注意的是，由于涡轮叶片在服役过程中承受复杂的多轴应力，[001]晶向的叶片在实际应用中表现出更好的性能。
在超级合金的中温变形过程中，变形过程主要由两种滑移系之一控制，即{111}?110?或{111}?112?，每种系统都会导致不同的取向旋转路径[12]。Qu等人[13]报告了在750°C/750 MPa下[001]取向附近的蠕变行为，观察到主要蠕变阶段由{111}?110?滑移系控制，而次要和第三阶段则由{111}?112?控制。Gabb等人[14]报告称，在650°C时，[001]样品中激活了多个{111}?110?滑移系，而在[011]取向中只有一个主要的{111}?110?滑移系起作用。同样，Qu等人[15]也得出结论，在750°C下，拉伸变形和取向旋转主要由{111}?110?滑移系控制，{111}?112?滑移系对取向变化的影响可以忽略不计。此外，Zhang等人[16]报告称，晶粒间的协调变形可能导致取向旋转偏离单滑移系主导下的理论路径。
与SX中的变形行为不同，DS超级合金包含大量的垂直晶界，其对应变的影响不可忽视。Gupta等人[17]报告称，在横向拉伸过程中，初始变形主要发生在取向偏差较大的晶粒内部，而在取向偏差较小的晶粒附近和晶界附近变形很小。Stinville等人[18]也在750°C的中温条件下研究了DS200超级合金的蠕变行为，并得出了类似的结论。在多晶材料的变形过程中，晶界通常会滑动以适应相邻晶粒之间的应变兼容性；然而，在粗大柱状晶体中，晶界在变形过程中的行为可能会有显著差异[19,20]。
本研究主要研究了存在取向偏差时DS超级合金的纵向变形行为，以及晶界对变形过程的影响。以往的研究主要集中在单个晶粒的变形行为上。在这项工作中，我们分析了SX和双晶（BX）样品在拉伸变形过程中的滑移系激活和取向旋转，探讨了整个变形过程中晶粒之间的相互作用。SX样品用于分析在没有其他晶粒影响下的变形行为，而BX样品用于研究不同晶粒之间的变形协调以及晶界在变形过程中的作用。实验在650°C下进行，这是燕尾部分的操作温度，在该温度下晶粒通常表现出较大的取向偏差[21,22]。
实验部分
实验
本研究使用了由DS DZ411合金制成的翼型。叶片由中国科学院金属研究所（IMR CAS）提供。该合金的名义成分如下（重量百分比）：14% Cr、10% Co、1.5% Mo、4% W、3% Ta、5% Ti、3.1% Al、0.12% C、0.01% B，其余为Ni。热处理过程包括：在1220°C下保持2小时，然后空气冷却（AC）；重新加热至1120°C，保持2小时，然后空气冷却；最后，在850°C下保持24小时
拉伸性能
图2(a)总结了不同取向的SX和BX试样的中温拉伸性能。显然，晶格取向和晶界的存在对拉伸行为有显著影响。延展性主要受到晶界的影响。SX样品SX1-(2)表现出优异的伸长率，为15.9%。相比之下，BX1-(5,7)的晶粒都具有相似的有利[001]取向
SX和BX拉伸行为中的主导因素
系统研究了拉伸性能和潜在的变形机制，以阐明晶格取向和晶界的影响。[001]取向与其他取向相比，具有更好的抗变形能力[5,29]。这从根本上与滑移系的激活有关。当初始晶向远离标准立体三角形中的[001]–[111]边界时，旋转角度较大
结论
本研究通过分析整体和局部取向变化以及滑移系的激活，研究了DZ411 DS超级合金在650°C下进行拉伸试验时的变形行为。主要结论如下：
- 1.
接近[001]取向的SX表现出最高的屈服强度和伸长率。当晶向偏离[001]方向时，屈服强度显著降低。
CRediT作者贡献声明
杨文龙：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。郭敏：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、正式分析、概念化。卢静远：可视化、资源管理、研究、正式分析。张志成：可视化、验证、方法论、正式分析。杨敏：软件、资源管理、方法论。卢玉章：监督、正式分析、数据管理。苏海军：可视化，
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
作者感谢国家自然科学基金（编号：52575452和52301171）、陕西省重点研发计划（编号：2024GX-ZDCYL-03-03）、先进材料-国家科技重大专项（编号：2025ZD0609300）以及西北工业大学凝固加工国家重点实验室的研究基金（编号：2025-TS-02）提供的支持。
