洛林大学《Acta Materialia》：镍基高温合金[110]方向蠕变组织演变

镍基高温合金由于其在高温下具有优异机械性能而广泛用于航空和工业燃气轮机。这种现象归因于其微观结构，由高体积分数的强化γ'立方析出相(L₁₂有序结构)嵌入γ基体(面心立方固溶体)组成。在服役期间，γ'析出相发生定向粗化(筏化)，这对温度和蠕变载荷有很强的依赖性。由于其在技术上的重要性，筏化在过去的几十年里得到了广泛的研究。由于镍基高温合金是研究扩散控制的相变、弹性和塑性之间的强耦合候选材料，筏化也成为了更多基础研究的重点。大多数研究都集中在[100]定向单晶的蠕变特性上，因为[100]方向是单晶涡轮叶片的主应力方向，但是在叶片截面存在复杂冷却过程时，其他方向上的应力可能也很大，因此有必要研究在更复杂的蠕变条件下的微观组织演变和相关的力学行为。

 

法国洛林大学的研究人员使用3D和2D相场模拟研究了[110]蠕变载荷过程中镍基高温合金的组织演变，还研究了非均匀和各向异性对弹塑性驱动力的影响。相关论文以题为“Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116851

本研究使用了相场模型和先前开发的晶体可塑性模型。当塑性被限制在几微米以下的区域时，它能够解释各向异性以及塑性的晶粒尺寸依赖性。它还包括针对滑行系统中位错密度的 储存 -恢复定律和位错之间短程相互作用的硬化矩阵。该模型用于说明蠕变条件下镍基高温合金的微观结构演变。在接近[110]的拉伸载荷下，对镍基高温合金在蠕变过程中的组织形成和演变进行了三维模拟。从立方结构开始，模拟得出了棒状析出物在恒定应力下沿[110]方向形成的微观结构。

图1上中下分别是拉伸蠕变加载下三维的组织浓度场、加载平面的二维部分和对应的 自相关函数

图2 在t=7.6 h时，对加载轴的几个偏转θ进行非均匀弹塑性模拟所得微观组织

 

图3 在t=7.6 h时，对加载轴的几个偏转θ进行无塑性的非均匀弹性模拟所得微观组织

 

研究发现了析出相定向粗化(筏化)的过程，首先沿垂直于载荷方向[001]快速粗化，然后片晶按照纯弹性或全弹粘塑性模型形成。很小的载荷方向偏差就会改变粗化后的微观结构演变，较大的偏差会导致粗化程度更严重。非均匀性剪切弹性常数C'能够影响粗化方向，不均匀的弹性或塑性本身就足以发生粗化。在本文材料中，塑性是粗化产生的主要驱动力。最后，初始位错密度的选择对材料的微观结构演变影响很小，但对材料的宏观行为影响很大。

 

本文通过模拟的方法讨论了镍基高温合金在[110]方向蠕变下的组织演变，通过载荷方向能够获得不同的演变，并结合宏观蠕变行为进行了系统的分析。本文为镍基高温合金的组织性能调控起到了关键作用，为后续高温材料的组织性能预测有一定实际意义。（文：破风）

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