[011]取向镍基单晶高温合金750℃蠕变过程中堆垛层错与孪晶的形成机制研究

针对镍基单晶高温合金中温蠕变变形机制不明的问题，研究人员通过像差校正透射电镜系统研究了CMSX-4合金在750℃/670MPa条件下的缺陷演化。发现γ'相中超点阵本征/非本征堆垛层错(SISF/SESF)分别由a/3〈211〉位错剪切和相邻面a/6〈211〉位错对协同作用形成，而孪晶则源于这两种机制的耦合效应，为新型高温合金设计提供了理论依据。

　　

镍基单晶高温合金是航空发动机涡轮叶片的核心材料，其高温蠕变性能直接决定发动机寿命。然而在750℃左右的中温区间，材料常出现异常的强度陡降现象，传统位错理论难以解释这种"中温脆性"行为。更棘手的是，随着新一代合金中γ'相体积分数突破70%，变形过程中γ基体通道与γ'沉淀相之间的交互作用变得极其复杂，亟需从微观缺陷演化角度揭示本质机制。

中国科学院金属研究所的研究人员选择典型[011]取向CMSX-4合金，通过750℃/670MPa蠕变实验结合像差校正透射电镜(ACTEM)分析，首次系统阐明了中温蠕变中堆垛层错与孪晶的协同形成机制。研究发现发表于《Materials Characterization》的这项成果显示，γ'相中超点阵本征堆垛层错(SISF)源自γ基体中a/2〈101〉与a/2〈110〉位错在γ/γ'界面反应生成的a/3〈211〉位错的剪切作用；而超点阵非本征堆垛层错(SESF)则通过两种途径形成：相邻{111}面上两个a/3〈211〉位错的连续剪切，或源自相同基体位错的两个a/6〈211〉不全位错的协同运动。统计表明a/3〈211〉位错剪切是主导变形机制，更值得注意的是，这两种机制的耦合作用会诱发贯穿γ通道和γ'相的变形孪晶。

关键技术包括：[011]取向CMSX-4单晶试样的定向凝固制备、750℃/670MPa恒载荷蠕变实验、像差校正扫描透射电镜(STEM)的缺陷表征、基于明场/暗场成像的堆垛层错类型判定等。

研究结果揭示：

1. γ'相中的SISF形成机制
   通过ACTEM观察到，γ基体中a/2〈101〉和a/2〈110〉位错在γ/γ'界面发生Lomer-Cottrell锁反应，分解产生a/3〈211〉超点阵位错，其滑移导致γ'相中形成SISF。

2. SESF的双重形成途径
   发现相邻{111}晶面上两个a/3〈211〉位错连续剪切可形成SESF；另一种罕见机制是相同a/2〈110〉基体位错分解产生的两个a/6〈211〉不全位错在相邻面协同滑移，这种"位错对"机制能有效降低层错能垒。

3. 孪晶的协同形成机制
   统计显示当SISF与SESF在纳米尺度交替排列时，会通过层错重叠形成9R相变结构，最终演化为贯穿γ/γ'相的变形孪晶，这种缺陷能协调大范围塑性变形但会加速裂纹萌生。

该研究首次建立了中温蠕变中位错反应-层错演化-孪晶形成的完整理论链条，阐明a/3〈211〉位错剪切是导致中温强度异常的关键因素。理论突破在于揭示了SESF的"位错对"新机制，以及层错耦合形成孪晶的动态过程，为开发抗孪晶化新型合金提供了明确方向：可通过调控γ'相成分梯度来抑制a/3〈211〉位错形核，或引入纳米孪晶界阻碍层错扩展。这些发现不仅解决了长期困扰学术界的中温脆性机理争议，更为第四代单晶合金的成分设计提供了关键理论支撑。