镍基高温合金中堆垛层错向微孪晶转变的原子尺度直接观测及其蠕变机制研究

针对镍基高温合金中堆垛层错(SESFs)向微孪晶转变机制争议，研究人员通过像差校正扫描透射电镜(STEM)直接观测815°C/490 MPa蠕变条件下原子尺度演化过程，证实a/6<112> Shockley不全位错连续滑移驱动转变，揭示γ′相主导的Kolbe原子重排机制，为设计抗蠕变合金提供理论依据。

　　

在航空发动机和燃气轮机的核心部件中，镍基高温合金长期承受着极端温度和应力环境，其高温蠕变性能直接决定设备寿命。尽管学界早已知晓堆垛层错(Superlattice Extrinsic Stacking Faults, SESFs)向微孪晶(microtwins)的转变会影响材料性能，但这一过程的原子尺度机制始终存在争议——究竟是基体(matrix)还是γ′强化相主导转变？传统理论模型与实验观测间的矛盾长期未能解决。

为揭示这一关键机制，中国研究人员通过像差校正扫描透射电子显微镜(Aberration-corrected STEM)，首次在815°C/490 MPa蠕变条件下捕获到SESFs向微孪晶动态转变的原子图像。研究发现转变区域同时存在微孪晶对称特征和残留层错错配，证实该过程由a/6<112>型Shockley不全位错(partial dislocations)的连续滑移触发，随后通过Kolbe提出的原子重排机制完成结构重组。值得注意的是，所有微孪晶均起源于γ′相，未发现基体引发孪晶的证据，这一发现直接否定了部分理论模型中关于基体主导孪晶形成的假设。

关键技术包括：像差校正STEM原位观察、电子衍射花样分析、高角度环形暗场(HAADF)成像，以及基于密度泛函理论(DFT)的位错能量计算。研究样本为经过标准热处理的多晶镍基合金，蠕变实验在空气环境中进行。

【研究结果】

1. 原子尺度转变特征
   STEM图像显示SESFs区域存在周期性对比度波动，测量层错面间距为0.208 nm，与γ′相(001)面间距一致。过渡区可见1-2个原子层的局部晶格旋转，符合Shockley位错滑移导致的剪切变形特征。

2. 位错运动轨迹分析
   通过追踪原子柱位移矢量，重建出三个连续a/6<112>不全位错的滑移路径。位错运动导致γ′相中L1₂
   有序结构的暂时破坏，随后通过近邻原子交换恢复长程有序。

3. 能量学计算
   DFT计算表明，SESFs转变为微孪晶的激活能为1.8 eV，低于基体中孪晶形核能垒(2.3 eV)，从热力学上解释了γ′相的优先转变特性。

【结论与意义】
该研究首次实验验证了Kolbe原子重排机制在镍基合金中的适用性，确立γ′相作为微孪晶唯一起源的结论，为多尺度变形模型提供了关键原子尺度参数。发现对航空发动机涡轮盘材料设计具有直接指导价值——通过调控γ′相尺寸分布和界面稳定性，可有效阻断微孪晶链式反应，提升合金在极端条件下的微结构稳定性。论文发表于《Scripta Materialia》，为高温结构材料领域建立了新的表征范式。