高通量研究纳米压痕作用下镍基扩散多元结高温锯齿流变及内在机理

Ni-based superalloys are commonly used for manufacturing turbine disks of aero-engine, as they possess exceptional strength and ductility in elevated temperatures, a robustness against creep and fatigue crack propagation and a long term microstructural stability. In general, stress–strain curves of metallic structural materials have a smooth transition, but under certain temperatures and strain rates conditions, inhomogeneous deformation occurs in several nickel-based superalloys and results in serrated deformation curves. Such jerky flow behavior is detrimental to their ductility and severely impacts the safety of aero-engine. In this study, blocks of pure metals that are commonly alloyed into nickel-based superalloys are assembled with pure nickel block to create a diffusion multiple, which is then subjected to high temperature annealing to introduce sufficiently thick diffusion layers. The solid solution regions of the inter-diffusion zones are assessed with the nanoindentation and microcompression techniques in a high throughput manner to establish the dependence of high temperature serrated flow behavior on alloy compositions and temperatures. The role played by dislocation-dislocation and solute-dislocation interactions in inducing the serrated flow is elucidated through a coupled analysis of the dislocation substructures underneath indents and the solute distribution around dislocations via Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atom Probe Tomography (APT), respectively. The assimilated body of the fundamental understanding of the influences of temperatures, solute species, element concentrations, solute diffusivities and elemental interactions on the high temperature deformation behavior of nickel alloys is envisaged to contribute to the research and development of novel nickel-based superalloys with no serrated flow or with lowered serration magnitudes.

镍基高温合金具有优异的高温强度和韧性、牢靠的抗蠕变和抗裂纹扩展性能及长期的显微组织稳定性，因而常被用于制造航空发动机涡轮盘。金属结构材料一般具有平滑的应力应变曲线，但在一定温度和应变速率范围内，多种镍基高温合金会发生不均匀变形，其变形曲线呈现锯齿状波动，导致材料韧性降低，严重危害发动机安全性。本项目拟把常用于镍基高温合金中的元素跟镍的块状固体制备成扩散多元结，经高温热处理得到足够厚的扩散层。利用高温纳米压痕和微柱压缩方法对互扩散区的固溶体开展高通量研究，建立高温锯齿流变行为对合金成分和温度的依存性。采用透射电镜和三维原子探针方法对压痕下方的位错结构演变规律和溶质分布规律进行耦合分析，揭示位错－位错及溶质－位错交互作用对锯齿流变的影响机理。阐明温度、合金元素种类、溶质含量及扩散率、溶质元素交互影响对镍基合金锯齿流变的作用机制，为研发无锯齿流变或低锯齿流变幅度的新型镍基高温合金提供科学依据。

镍基高温合金是制造涡轮叶片和涡轮盘等航空发动机热端部件的首选材料。在一定的温度和应变速率条件下，涡轮盘用镍基高温合金常发生非均匀变形，其应力-应变曲线呈现锯齿状波动。尽管锯齿流变能提高材料局部区域的强度，但是会引起变形集中，导致材料韧性降低，甚至提前发生断裂。这些都直接影响镍基高温合金的热加工性、表面平整度及其产品的使用寿命，进而对发动机乃至飞机的稳定性和可靠性造成严重危害。因此，研究镍基高温合金发生锯齿流变的内在机理，并对其进行有效调控, 将具有非常重要的科学价值和现实意义。扩散多元结方法是将多个不同金属块紧密贴合在一起，随后在设定温度下的相互扩散，形成在一定成分范围内具有连续成分变化的固溶体和金属间化合物，从而可一次性获得具有微观分辨率的成千上万种合金成分，是一种高通量的合金制备方法。利用微纳力学测试手段研究成分变化/梯度的微区力学性能和变形规律, 从而可以高效地获得成分-显微组织-性能的关系。本项目采用高温纳米压痕实验方法，阐明了镍基固溶体锯齿流变幅度随温度、元素种类、溶质含量与扩散率的递变规律，揭示了在溶质原子独立作用以及交互作用下镍基合金高温变形行为的演变规律。采用室温纳米压痕方法，研究了Al-Cu扩散偶不同区域的力学性能和变形行为，揭示了铝合金锯齿流变现象的机理，阐明了Al2Cu金属间化合物压痕下方的显微结构演化机制，揭示了锯齿流变现象的共性规律。本项目还开展了有关CrCoNi多主元合金的研究，在液氮环境下预扭转对单相CrCoNi 多主元合金力学性能的影响，通过调控初始晶粒尺寸和扭转圈数，得到了～1.7GPa 屈服强度和27%的拉伸塑性。同等测试条件下，性能显著高于原始样品(0.6GPa)。显微分析表明，预扭转诱发梯度纳米孪晶结构的形成，后续的拉应力又使晶内不同孪晶与位错系统被激活，从而形成了梯度孪晶三维交错结构，这些结果为后续研究其动态应变时效奠定了良好的基础。总体而言，项目成果为研发无锯齿流变或低锯齿流变幅度的新型镍基高温合金提供科学依据。