冷轧诱导的位错 - 孪晶亚结构对 Allvac 718Plus 合金拉伸行为的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of cold-rolling-induced dislocation-twin substructures on the tensile behavior of Allvac 718Plus alloy

　　

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  冷辊诱发缺陷亚结构在704 °C下实现强度–韧性协同。
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  20%的冷轧使屈服强度提升至1173.7 MPa，延伸率达到22.1%。
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  位错–层错–孪晶相互作用增强硬化和应变兼容性。

引言

Allvac 718Plus合金（718Plus合金）是一种时效强化镍基高温合金，在航空发动机涡轮盘、燃气轮机热端部件和核动力设备等领域具有较大的应用潜力[1]、[2]。该合金在传统Inconel 718合金的基础上，通过提高铝（Al）含量并调整Al/Ti比来促进γ′相析出。由于γ′相比γ″相具有更好的高温稳定性，718Plus合金的主要强化相从γ″相转变为γ′相，使其最高使用温度达到约704 °C[3]，远高于传统718合金。因此，本研究选择704 °C作为拉伸试验温度，以评估718Plus合金在其接近上限使用温度时的力学响应[4]、[5]。因此，718Plus合金被视为替代传统718合金的关键候选材料之一[6]、[7]。随着先进航空发动机和地面燃气轮机对更高的推重比、更高的热效率和更长的使用寿命的需求日益增加，进一步提升718Plus合金的高温强度–韧性平衡具有重要意义[8]。

时效强化镍基高温合金的高温力学性能不仅受γ′、γ″和η等二次相的尺寸、分布和稳定性影响，还受晶粒结构、晶界特征和变形诱导缺陷亚结构的影响[9]、[10]。冷变形是控制金属材料微观结构和性能的传统方法，已在高温合金中得到广泛研究和应用[11]。冷轧预变形可增高位错密度，并促进小角度晶界、位错亚结构和变形孪晶（DT）的发展，从而强化合金[12]。然而，在704 °C拉伸试验过程中，预存位错可发生滑移、重新分布和回复，同时部分Shockley不全位错可能产生层错（SF）和变形孪晶[13]、[14]。因此，冷轧合金的高温强度和韧性取决于位错亚结构、孪晶演变和高温回复之间的协同相互作用[15]、[16]。

冷轧、冷拉拔和深度冷加工等工艺可向合金中引入大量缺陷，从而改变其力学行为。Bond等人的研究[17]表明，718Plus合金在冷拉拔至16–35%压下率后可直接时效；提高冷拉拔程度可显著增加室温屈服强度和抗拉强度。此外，冷加工后直接时效所获得的抗拉强度提升在704 °C下仍可保持。Cao和Kennedy[6]研究了直接时效对718Plus合金微观结构和力学性能的影响，包括高温拉伸性能和应力断裂寿命。他们表明，直接时效响应强烈依赖于先前的热机械加工状态，沉淀物特性的相应变化有助于提高拉伸强度和应力断裂性能。这些研究表明，冷加工可提高718Plus合金的初始强度，同时通过改变晶粒形貌、再结晶和沉淀物分布影响其后续力学响应[18]、[19]。目前，针对718Plus合金的研究主要集中在热处理制度、沉淀相稳定性、蠕变行为和常规高温拉伸行为[20]、[21]；然而，关于冷轧预应变后在704 °C拉伸试验过程中高密度位错的演变及其对强度–韧性平衡的影响，仍缺乏系统认识。特别是，需要进一步研究阐明冷轧引入的亚结构，如位错、小角度晶界、层错/孪晶和二次相界面处的位错塞积，在高温拉伸试验过程中对强化、回复和损伤演变的作用[22]、[23]。

基于此，本文研究了经20%冷轧的718Plus合金。通过将704 °C高温拉伸试验与详细的微观结构表征相结合，分析了冷轧对初始位错密度、γ′相形貌和变形亚结构（包括孪晶）的影响。研究结果为通过冷变形调控718Plus合金的高温力学性能提供了实验依据。

章节摘要

材料与方法

实验所用718Plus合金通过真空感应熔炼、电渣重熔和真空电弧重熔制备。合金化学成分列于表1中。经均匀化和锻造后，铸坯加工成圆盘（图1(a)）并进行标准热处理（图1(b)）：960 °C保温1 h后水淬，788 °C保温8 h，炉冷至704 °C保温8 h，然后空冷。从圆盘R/2位置轴向切取薄板

结果

图2显示了标准热处理后NCR样品的初始微观结构特征。如图2(a)所示，NCR样品主要由等轴γ基体晶粒组成。粗大且平直的退火孪晶贯穿晶粒，而针状或片状η相分布在晶界附近。图2(b)显示γ′析出相呈近球形，均匀弥散分布在γ基体中，平均尺寸为35.19 ± 6.69 nm。图2(c–e)

讨论

为进一步阐明冷轧在拉伸变形过程中对位错积累和取向梯度演变的影响，对拉伸试验前后的几何必需位错（GND）分布进行了对比分析，如图10所示。拉伸试验前，NCR样品的GND分布主要集中在相对较低的范围内，分布峰值位于约1 × 10¹⁴ m^-2处，平均GND密度为1.33 × 10¹⁴ m^-2，表明

结论

• (1)
  20%的冷轧压下率显著提高了718Plus合金的初始缺陷密度。冷轧在基体中引入了大量高密度位错、致密层错和Lomer-Cottrell锁。经改进的Williamson–Hall方法计算，平均位错密度从NCR样品的4.49 × 10¹⁴ m^-2上升至CR样品的4.17 × 10¹⁵ m^-2。
• (2)
  在704 °C拉伸变形过程中，CR样品中的预存位错和层错演变为

CRediT作者贡献声明

郭倩颖： 撰写 – 审阅与编辑、方法论、正式分析。陈卓： 撰写 – 审阅与编辑、方法论、概念设计。李冲： 撰写 – 审阅与编辑、方法论、概念设计。刘永昌： 撰写 – 审阅与编辑、监督、资金获取、正式分析、概念设计。夏兴川： 撰写 – 审阅与编辑、方法论、概念设计。龚立杰： 撰写 – 原稿撰写、方法论、调查研究、正式分析，

利益冲突声明

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致谢

作者感谢国家自然科学基金委员会（批准号U23A20613）和天津市科技计划项目（批准号25ZXZSSS00040）的资助。

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