通过准原位单轴拉伸三维成像技术研究IN718超合金中以沉淀物为主导的裂纹起始与扩展机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Precipitate-Dominated Crack Initiation and Propagation Mechanisms in Superalloy IN718 Investigated via Quasi-in-Situ Uniaxial Tensile 3D Imaging

本研究采用准原位拉伸三维成像技术，系统分析不同冷却史和HIP处理下IN718合金裂纹萌生与扩展机制，揭示多相微结构（Laves相、碳化物、微孔洞）三维分布对裂纹演化的调控作用，为航空发动机关键部件失效预测提供新理论依据。

　　IN718合金是一种在航空航天领域广泛应用的重要材料，因其优异的综合性能而备受关注。该合金具有高强度、高疲劳寿命、良好的耐磨性和热腐蚀抵抗能力，能够在高达650°C的高温环境下保持稳定的力学性能。此外，IN718合金还具备良好的焊接性能和加工适应性，能够通过铸造、锻造、粉末冶金以及增材制造等多种工艺进行成型。由于这些特性，IN718合金在现代航空发动机中占据着重要地位，通常用于旋转部件、外壳、支撑结构和压力容器等关键部位，占发动机总重量的50%以上。然而，尽管IN718合金具有诸多优点，其在高温加工过程中常常引发元素偏析，特别是铌（Nb）、钛（Ti）和钼（Mo）的偏析，从而导致Laves相和非金属夹杂物如碳化物和氮化物的形成。这些微结构特征不仅影响合金的力学性能，还成为裂纹萌生的优先位置。

裂纹的萌生与扩展机制一直是材料科学领域的研究重点，尤其是在精密铸造件中。由于大型航空航天精密铸造件的结构复杂性，其内部微结构特征与裂纹行为之间的关系显得尤为重要。以往的研究多集中于晶体学因素和二维形貌，但裂纹演化本质上是一个多尺度的过程，涉及空间和时间的双重维度。相比之下，三维内部特征能够提供更丰富的信息，而这些信息在研究裂纹行为时不可忽视。然而，目前大多数三维表征技术仍局限于静态观察，未能充分揭示裂纹在加载过程中的演化路径。因此，深入理解裂纹萌生和扩展的三维机制对于提升材料性能和优化制造工艺具有重要意义。

本研究采用高分辨率的准原位拉伸三维成像技术，对来自大型精密铸造件不同区域的IN718合金试样进行系统分析。这些试样包括快速冷却和缓慢冷却的铸造件，以及经过HIP（等温压处理）的样品。通过在多个拉伸阶段获取三维图像，研究人员能够直接观察裂纹的萌生与扩展过程，并揭示微孔、Laves相和碳化物在断裂过程中的动态相互作用。此外，结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、能谱分析（EDS）和透射电子显微镜（TEM）等互补技术，进一步深化了对损伤积累和裂纹扩展机制的理解。这种多维度的分析方法不仅有助于揭示IN718合金的裂纹行为，还为预测其在关键航空发动机部件中的断裂和失效行为提供了重要的理论依据。

在实验材料方面，本研究选取了国产大型精密铸造件的后壳部分作为研究对象。试样1#和2#分别来自铸造件的薄壁区和厚壁区，这两个区域经历了不同的冷却温度场，导致了不同的冷却速率。试样3#则来自经过HIP处理的大型铸造件，HIP处理在RD-750系统中进行，温度为1170°C，压力为140 MPa，持续时间为4小时。通过这些不同冷却历史和加工状态的试样，研究人员能够系统地研究裂纹行为在不同条件下的差异。

在原始微结构表征方面，试样在未加工状态下的标距段微结构如图2所示。由于薄壁区和厚壁区的壁厚差异，导致了不同的凝固环境，从而形成了不同的冷却速率。这种冷却速率的差异进一步引发了多种微结构特征的形成，这些特征通过一种权衡过程相互协调，最终形成了最终的微结构。在试样1#（薄壁区）中，细晶的平均晶粒尺寸为106微米，晶粒接近等轴形态。而试样2#（厚壁区）则呈现出不同的晶粒结构，反映了不同冷却速率对微结构形成的显著影响。

在研究过程中，研究人员特别关注了沉淀物-微孔系统、沉淀物形态及其三维空间分布对裂纹演化的影响。结果表明，快速冷却会导致网络状Laves相和碳化物沉淀物的优先裂纹萌生，而缓慢冷却则形成粒状、分散分布的沉淀物，从而降低局部应变敏感性。HIP处理显著减少了Laves相的含量，有效抑制了裂纹的萌生。位错倾向于在沉淀物界面处聚集，引发局部应力集中和沉淀物内部的裂纹形成；微孔则在应力作用下演化为平面断裂表面，裂纹可能沿着非晶格路径传播，这是由于裂纹的分支或局部应力扰动所致。裂纹的扩展主要受到长条状沉淀物和元素偏析网络的影响。高密度的微裂纹，其最近邻距离较短，显著增强了裂纹的合并，最终与微孔相互作用形成主裂纹。定量分析表明，在KDE（沉积物密度）大于14且KNN（最近邻距离）小于0.1的区域，微裂纹的合并概率最高，对主裂纹路径具有决定性影响。本研究强调了沉淀物-微孔空间结构在引导裂纹扩展中的关键作用，并为预测IN718合金在关键航空发动机部件中的断裂和失效行为提供了重要见解。

本研究的成果不仅丰富了对IN718合金拉伸断裂机制的理解，还为评估关键航空发动机部件的失效行为提供了有价值的参考。通过准原位拉伸试验，研究人员能够在裂纹萌生和扩展的动态过程中捕捉到详细的微结构演变信息，从而更全面地揭示材料在复杂工况下的行为特征。这种研究方法有助于优化材料设计和制造工艺，提高材料的可靠性和使用寿命。此外，本研究还强调了在高温和循环载荷环境下，沉淀物和微孔仍然是关键的应力集中源和损伤萌生点，因此揭示的裂纹机制对于理解更复杂操作环境下的损伤演化过程具有直接的参考价值。通过这些研究，科学家们能够更好地预测材料在实际应用中的性能表现，为航空航天领域的材料工程提供理论支持和技术指导。