1.成果介紹

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了定向合金中晶粒取向與晶界協同作用機制。以實際DZ411合金燃氣輪機葉片為研究對象，從中截取板狀樣品，對比了單晶與雙晶試樣的變形行為。結果表明，當單晶試樣的取向偏離角從2°增加至14°時，其屈服強度從996 MPa顯著下降至871 MPa。而在雙晶試樣中，這種取向敏感性更為突出：當兩個晶粒均接近〈001〉取向時，屈服強度高達987 MPa；但當晶粒出現較大取向偏離時（如(4°,16°)、(24°,32°)、(20°,28°)），屈服強度急劇下降至700 MPa左右。研究進一步通過電子背散射衍射（EBSD）技術揭示了其微觀機理：在650°C拉伸變形過程中，變形由{111}〈110〉滑移系主導，晶粒的取向旋轉方向會受到相鄰晶粒的顯著影響。更重要的是，晶界對位錯運動產生強烈的阻礙作用，導致晶界處強度高于晶內，滑移帶在晶界附近停止運動，從而在晶界處引發嚴重的應力集中。這種因取向差導致的變形不協調，是雙晶試樣延伸率顯著降低的根本原因。

相關工作以題為“Unveiling the coordinated mechanism of orientation and grain boundaries on tensile deformation in directional solidification gas turbine blades”的研究論文發表在《Journal of Materials Science & Technology》。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.02.026

2.背景介紹

重型燃氣輪機是能源動力領域的核心裝備，其熱端部件定向凝固渦輪葉片，需要在極端高溫和復雜應力環境下長期穩定服役。定向凝固技術通過消除橫向晶界，并使晶粒的〈001〉方向與葉片主應力軸平行，從而賦予合金優異的高溫力學性能。然而，隨著燃氣輪機效率的不斷提升，葉片結構日益復雜、尺寸愈發增大，在定向凝固過程中，特別是榫頭等區域，極易因溫度梯度不足而產生晶粒取向偏離〈001〉方向的現象，形成小角度或大角度晶界。

鎳基高溫合金具有顯著的各向異性，晶粒取向的微小偏差都會導致其拉伸、蠕變等性能發生劇烈變化。以往研究多聚焦于理想狀態下的單晶合金變形行為，或僅關注單一晶粒的取向影響。然而，在實際服役的定向凝固葉片中，由多個晶粒組成的雙晶或多晶結構才是常態。此時，不同晶粒的取向差異及其間的晶界如何協同變形、如何影響整體力學性能，其內在機理尚不明確。特別是在葉片榫頭工作溫度（約650°C）下，這種由取向偏離和晶界共同主導的復雜變形機制，成為制約定向凝固葉片性能預測的關鍵。

3.圖文解析

圖1 (a) 葉片的尺寸及定向合金晶粒的宏觀形貌；(b) 葉片的縱向截面及單晶和雙晶拉伸試樣的示意圖；(c)拉伸樣品的IPF圖；(d) 單晶和雙晶樣品沿拉伸軸的取向。

圖1展示了從實際渦輪葉片葉身和榫頭截取試樣的示意圖、縱向拉伸試樣的尺寸與加載方向，以及單晶（SX）和雙晶（BX）試樣的初始晶體取向分布和晶粒間的取向關系。BX1兩個晶粒均接近[001]（偏差5°和7°），BX2一個晶粒接近[001]、另一個偏離（4°和16°），BX3和BX4兩個晶粒均嚴重偏離（24°/32°和20°/28°）。

圖2 SX和BX試樣沿DS方向的拉伸試驗：(a) 工程應力-應變曲線；(b) 加工硬化率曲線。

圖2展示了不同試樣的屈服強度、延伸率對比以及應變硬化行為。從圖中可以清晰看出：取向主導了屈服強度，接近[001]的SX1屈服強度高達996 MPa，而偏離[001]的SX2僅為871 MPa；晶界則主要損害延伸率，即使兩個晶粒均接近[001]的BX1，其延伸率（9.7%）也遠低于取向相同的單晶SX1（15.9%）。，

圖3 (a) 在標準極射赤面三角形中由{111}<110>滑移系主導的晶格旋轉過程示意圖；(b) 在標準極射赤面三角形中由{111}<112>滑移系主導的晶格旋轉過程示意圖；具有不同偏離角(DA)并遵循理論取向演化路徑的晶粒：(c) SX1, (d) SX2, (e) BX1, (f) BX2；以及偏離理論取向演化路徑的晶粒：(g) BX3, (h) BX4。箭頭從初始取向指向斷裂后取向。

所有含近[001]晶粒樣品的實際旋轉路徑均與{111}〈110〉滑移系主導的理論路徑高度吻合，證明在650°C拉伸變形過程中，{111}〈110〉是主導的滑移系。值得注意的是，在雙晶試樣BX3和BX4中，當兩個晶粒均嚴重偏離[001]方向時，其實際的取向旋轉方向與理論路徑出現了輕微偏差，這意味著晶粒間的相互作用會對彼此的取向旋轉產生干擾。

圖4 斷裂標距段的EBSD圖：SX1、SX2、BX1、BX2、BX3和BX4的KAM圖和IPF圖。BX樣品中晶粒G2內的高亮區域對應虛線圓內初始取向附近的取向擴展。

圖4展示了各試樣拉伸斷裂后的KAM圖和反極圖IPF圖。在單晶試樣SX1和SX2以及取向相近的雙晶BX1中，應變分布相對均勻，整個截面未出現明顯的應力集中區域。然而，在存在大角度晶界的雙晶試樣BX2、BX3和BX4中，晶界附近出現了顯著的應力集中，KAM值高達晶內區域的2–3倍。這表明晶界對位錯運動產生了強烈的阻礙作用，導致位錯在晶界處塞積，形成局部高應力區。IPF圖進一步揭示了晶界對取向旋轉的約束作用。在雙晶試樣中，晶界附近區域的取向旋轉幅度明顯小于晶粒內部區域；在同一水平位置上，距離晶界越遠，取向變化越大，而緊鄰晶界的區域取向幾乎保持不變。這種由晶界約束導致的局部變形不協調，是裂紋在晶界處優先萌生的直接原因。

圖5 極圖顯示橫截面上激活的滑移系取向：(a1和a2)、(b1和b2)、(c1和c2)分別代表樣品BX2、BX3和BX4的晶粒G1和G2。紅色實線箭頭表示在相鄰晶粒沿綠色箭頭方向收縮產生的力（黃色箭頭）作用下，理論滑移方向（紅色虛線）上的實際滑移方向。

圖5展示了不同雙晶試樣中激活滑移系的空間分布關系，并揭示了晶粒間相互作用導致取向旋轉方向偏離的力學機制。在BX2試樣中，左側接近[001]取向的G1晶粒激活了多個滑移系，從而允許右側G2晶粒沿理論路徑旋轉，未出現明顯偏離。而在BX3和BX4試樣中，兩個晶粒均嚴重偏離[001]取向，每個晶粒僅能激活一個最有利的{111}〈110〉滑移系。在拉伸變形過程中，單個晶粒會沿著其激活滑移系的旋轉軸發生伸長和徑向收縮。G2的徑向收縮會對左側的G1施加一個向右的水平分力，導致G1的取向向右偏轉；同樣，G1的徑向收縮也會對G2施加向左的水平分力，導致G2的取向向左偏轉。這種相互作用的側向力使得兩個晶粒的實際旋轉方向均偏離了理論預測的路徑，產生了變形不協調。

圖6 不同取向構型BX的變形機理圖：(a) 一個晶粒接近[001]取向，另一個晶粒偏離；(b) 兩個晶粒均存在取向差。激活的滑移面和滑移方向分別由藍色虛線和紅色箭頭標示。

圖6以示意圖的形式概括了雙晶變形模型。當一個雙晶試樣中包含一個接近[001]取向的晶粒時，該晶粒能夠激活多個{111}〈110〉滑移系，有效協調和緩沖相鄰偏離晶粒變形所帶來的不均勻應力。當兩個晶粒均嚴重偏離[001]取向時，每個晶粒各自只能激活最有利的一個滑移系，這種變形不協調使得應力集中加劇，晶界處更早萌生裂紋，最終導致屈服強度和延伸率均大幅下降。

4.結論與展望

該研究系統揭示了實際定向凝固葉片中，由晶粒取向偏離和晶界共同主導的高溫變形機理。該研究成果為預測含有晶界缺陷的定向凝固葉片力學性能提供了理論依據和實驗數據，對于重型燃氣輪機葉片的缺陷檢測具有重要的工程價值。

5通訊作者簡介

郭敏，女，博士，西北工業大學材料學院副教授，博士生導師，先進高溫合金陜西省高等學校重點實驗室副主任。長期從事高性能高溫合金及其復雜構件凝固成形基礎和應用研究，主持國家自然科學基金3項、國家重點研發項目課題1項、“兩機專項”項目子課題2項、陜西省重點研發計劃重點產業創新鏈1項等國家/省部級項目十余項，參與其它國家自然基金重點、國家重點研發計劃等國家級重點項目4項。在Adv Funct Mater，J Mater Sci Technol，Scripta Materialia等知名學術期刊上發表論文96篇，其中SCI 收錄85篇；授權中國發明專利21件，公開美國發明專利2 件。獲陜西省科學技術一等/二等獎各1 項、中國材料研究學會基礎研究二等獎1項、陜西高等學校科學技術研究優秀成果獎特等/一等獎各1項、陜西省冶金科學技術一等獎2項；獲陜西省金屬學會“陜西冶金青年科技標兵”稱號，擔任《中國有色金屬學報》中英文版青年編委。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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