智造系统工程中心张振波课题组近期与国际合作者研究发现多晶镍基高温合金中孪晶界更易于诱发裂纹萌生扩展，通过多尺度结构表征和第一性原理计算，首次从原子尺度揭示了该反常现象的物理机制，对于调控多晶镍基高温合金的性能具有重要意义。相关成果于9月29日以题为”Strain localisation and failure at twin-boundary complexions in nickel-based superalloys”发表于国际著名期刊Nature Communications (Doi: 10.1038/s41467-020-18641-z)。
镍基高温合金具有优良的高温强度和氧化腐蚀抗力，是制造航空发动机和燃气轮机等高温高压部件的关键结构材料，也是核电、深海等领域广泛应用的结构材料。在这些苛刻的工况下服役时，晶界被视为镍基高温合金的“阿喀琉斯之踵”，沿晶界断裂是多晶镍基高温合金失效的最主要原因之一。镍基高温合金由于低的层错能，合金中高达50%的晶界是退火过程中形成的孪晶界。相对于普通晶界，共格孪晶界具有较低的界面能和较高的裂纹萌生扩展抗力，因此一般认为在工程合金中引入更多的孪晶界可以显著提升合金的服役寿命。然而近年来一些研究发现 （Nat. Commun. 6:6164, 2015; Acta Mater. 103,461-473, 2016），多晶镍基高温合金中孪晶界更易于诱发裂纹萌生和扩展。由于镍基高温合金成分和组织的复杂性，孪晶界的负面效应的内在机制尚不明确，导致很难通过调控合金的组织成分来降低或避免孪晶界的负面效应，制约了合金在安全系数要求极高的航空等领域的应用。
针对多晶镍基高温合金中（Incoloy 945x和Inconel 718），研究人员通过原位力学实验观察到位错在孪晶界处优先开动，并导致在孪晶界处显著的应变局域化，如图1所示。通过对孪晶界的多尺度结构和力学响应的表征，发现合金中γ″相在孪晶界上独特的析出行为（镜像对称的V字形结构）是导致孪晶界处应变局域化的根本原因，如图2所示。结合原子尺度分析和DFT第一性原理计算，研究人员发现共格孪晶界为γ″相的析出提供了结构和能量上的优势，从根本上揭示了γ″相在孪晶界上特殊析出行为的物理本质，如图3所示，表明该现象对于γ″相强化的镍基高温合金具有普适性。在此发现的基础上，研究人员研究了镍基高温合金在含氢环境下的断裂行为，成功解释了孪晶界诱发氢致裂纹萌生扩展—这一困扰镍基高温合金领域多年的问题，如图2所示。
图 1 原位拉伸观察位错滑移带（黑色箭头）优先沿孪晶界（红色的线）开动
图2 孪晶界（TBs）上V字形γ″相，以及由V字形γ″相导致的位错滑移带（DSBs）优先开动与氢致裂纹萌生扩展
图3 γ″相和δ相的原子分布（a，b），跨过孪晶界两侧的原子结构图（c），以及高分辨STEM图表明孪晶界上三层原子形成了类δ相结构（d,e）
该研究是首次在金属材料中发现低能孪晶界面可以作为第二相优先析出的界面，且此反常行为对材料的综合力学性能有显著影响。由于该现象的物理机制源自于γ″相和孪晶界的特殊原子结构，与合金中其它元素含量无直接关联性，此发现对于所有γ″相强化的镍基高温合金具有普适性。在充分理解孪晶界反常行为物理本质的基础上，研究人员提出了通过调控热处理制度等方式来缓解镍基高温合金中孪晶界对性能的负面影响的可行方案，对镍基高温合金综合性能的提升和服役寿命的可靠预测具有重要意义。
上海科技大学张振波为论文的第一作者兼通讯作者，曼彻斯特大学教授Michael Preuss为论文共同通讯作者，上海科技大学为论文的第二完成单位。瑞典皇家理工学院卢松和杨志彪参与完成了第一性原理计算，英国石油公司Roberto Morana也参与了该项目的研究工作。
论文链接(Paper link)：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18641-z
