硼和碳添加调控镍基高温合金René 41晶界开裂机制的多尺度研究

为解决镍基高温合金晶界(GB)开裂问题，研究人员通过原位拉伸测试、晶体塑性有限元(CP-FEM)建模和高分辨表征技术，系统研究了René 41合金中γ基体/GB-M2B等界面的应变分布、纳米结构及化学环境。发现GB-γ'包覆GB-M2B可维持界面硼(B)富集而增强结合力，而γ基体/GB-M2B界面因B不足导致严重脱粘。该研究为优化合金设计提供了关键理论依据。

　　

燃气涡轮发动机的极端工作环境对镍基高温合金提出了严苛要求，而晶界开裂成为限制其性能的"阿喀琉斯之踵"。尽管通过添加硼(B)和碳(C)可改善晶界强度，但过量添加会促进M₆C、M₂₃C₆碳化物和M₂B硼化物析出，反而加剧开裂风险。René 41作为典型高合金化镍基高温合金，其晶界开裂机制尚未系统阐明。

为破解这一难题，来自Western Australian Specialty Alloys等机构的研究团队开展了多尺度研究。通过结合原位拉伸测试、晶体塑性有限元建模和高分辨表征技术，首次揭示了γ基体/GB-M₂B界面的脱粘是开裂起源，而GB-γ'包覆可维持界面B富集从而增强结合力。这项发表于《Materials》的研究为优化合金设计提供了新思路。

研究采用三项关键技术：(1)原位拉伸测试结合SEM观察，追踪从滑移带形成到晶界开裂的全过程；(2)基于EBSD数据的晶体塑性有限元(CP-FEM)建模，分析局部应变/应力分布；(3)原子探针显微镜(APM)和透射电镜(HRTEM)解析界面成分与结构。材料来自真空感应熔炼(VIM)制备的René 41合金，经热轧和标准热处理。

【实验结果】
3.1 力学性能
微型拉伸和原位测试显示，薄试样因平面应力状态展现更高延展性。CP-FEM模型成功复现了实验数据，但未发现等效应变/应力与开裂位置的直接关联。

3.2 晶粒结构
EBSD分析表明，Σ9型晶界(39°±1°)是裂纹萌生位置之一，但并非唯一。KAM(核平均取向差)图显示位错在晶内和晶界均有累积。

3.3 晶体塑性建模
模型揭示应变/应力在晶界处呈异质分布，但45-63°大角度晶界的累积最显著，与实验观察的30-44°开裂晶界不符，表明局部成分主导开裂。

3.4 TEM表征
HRTEM显示γ基体/GB-M₂B界面存在晶格畸变，但未检测到缺陷累积或局部相变。M₆C和M₂₃C₆与基体呈特定取向关系，而M₂B无明确取向。

3.5 APM分析
关键发现包括：GB-γ'/GB-M₂B界面B富集达3.5±0.5 nm^-2，而γ基体/GB-M₂B仅0.4±0.9 nm^-2；Cr在GB-γ'/GB-M₂B界面富集(16.7±0.9 nm^-2)，可能协同增强界面结合。

【结论与意义】
研究建立了晶界微观组织-性能关系模型：GB-γ'作为扩散屏障，可阻止B从GB-M₂B界面流失，而γ基体/GB-M₂B因B不足成为最薄弱环节。这一发现颠覆了传统认知——晶界开裂主要受应变集中或缺陷累积控制，证明界面化学环境才是决定性因素。

该研究为镍基高温合金设计提供了重要指导：(1)建议将B、C含量控制在0.07 at.%和0.14 at.%以下，避免连续晶界析出；(2)通过调控GB-γ'包覆改善界面结合；(3)研究方法可推广至Waspaloy、Haynes? 282?等同类合金。未来需进一步探索碳化物/硼化物与基体的共析机制，以及高温下的界面行为。