同步辐射X射线辐照下能量密集型多功能空化对Ni基单晶高温合金的表面改性：SPring-8研究

《Results in Surfaces and Interfaces》：Surface modification of Ni-based single crystal superalloys by energy-intensive multifunction cavitation with synchrotron X-ray irradiation at SPring-8

　　

•PXMEI-MFC（Positron X-ray Magnetic Energy-Intensive Multifunction Cavitation，正电子X射线磁能量密集型多功能空化）改善了SC610和CMSX-4的表面性能。
•同步辐射X射线增强了空化辅助表面改性。
•获得了与喷丸（shot peening）相当的硬度。
•水基加工在有限粗糙化条件下提高了硬度。
•压力调控了表面反应—塑性变形转变（surface reaction–plastic deformation transition）。

研究背景与问题：在可持续能源社会与碳中和发展背景下，氢燃气轮机联合循环及100%氢燃烧系统对高温部件长期可靠性提出更高要求；涡轮叶片燃烧温度超过1600 °C，需要优异高温性能与微结构稳定性。Ni基高温合金，尤其定向凝固和单晶Ni基高温合金广泛用于该类部件。除降低稀缺元素依赖外，还需通过提升表面性能改善材料性能和延长寿命。同步辐射可产生高能X射线，已用于材料科学分析，并逐渐用于表面反应控制和材料加工，但高能X射线直接用于材料加工仍有限。Toshihiko Yoshimura等此前开发了MFC（multifunction cavitation，多功能空化）及EI-MFC、MEI-MFC、LMEI-MFC和PXMEI-MFC（Positron X-ray Magnetic Energy-Intensive Multifunction Cavitation，正电子X射线磁能量密集型多功能空化）等系统；超声压力波动促进空化泡生成、生长和崩溃，形成局部高温高压，并伴随微射流、冲击波等机械效应及水蒸气热解产生自由基和离子物种的化学效应。外场能量输入可改变气泡动力学和能量密度。同步辐射X射线可在空化泡内引起光电离和辐射诱导反应，促进表面反应并可能缩短加工时间。然而，能量密集型多功能空化与同步辐射X射线联合作用于Ni基单晶高温合金的效果尚未系统阐明，本研究即在SPring-8 BL47XU上考察工作流体和加工压力对SC610与CMSX-4表面改性的影响，以揭示缺陷形成、微结构演化和表面强化机制。

关键技术方法：研究人员以SC610-SC（含1.4 wt% Re）和CMSX-4两种Ni基单晶高温合金为对象，试样尺寸?30 mm×1 mm，表面经机械抛光、缓冲抛光、氧化物悬浮液终抛及电解抛光（10%盐酸+90%乙醇，3 V DC，60 s）以显示晶体结构；样品表面为<100>取向。采用PXMEI-MFC系统，以2%氘代丙酮的丙酮/氘代丙酮混合液或2%重水的纯水/重水混合液为工作流体，经0.2 mm喷嘴在5–25 MPa下喷射10 min，喷嘴出口至样品表面距离20 mm；五枚28 kHz、40 W超声换能器（总200 W）施加声压波动，钕磁铁施加磁场（喷嘴出口6.66 mT、样品位置4.52 mT），反应容器上方设1 MBq 22Na正电子源；SPring-8 BL47XU提供37 keV、约5.3×10¹² photons s^?1单色同步辐射X射线，束斑约1 mm，照射位置在样品表面上方约5 mm。表征采用FE-SEM（field-emission scanning electron microscopy，场发射扫描电子显微镜）、EDS（energy dispersive X-ray spectroscopy，能谱）、三维激光显微镜和显微维氏硬度计（0.5 N，10点去极值取8点平均）。

结果与讨论（3. Results and discussion）：硬度方面，2%氘代丙酮体系使SC610和CMSX-4硬度均提高约+100–150 HV（Vickers hardness，维氏硬度）；水/重水体系提高CMSX-4硬度，但对SC610影响很小。原文归因于材料塑性变形阈值与空化强度的匹配差异：SC610因Re、W、Ta固溶强化、高γ^′（gamma prime）相体积分数及γ/γ^′界面而具有较高局部屈服应力；水/重水空化泡崩溃能量较低，非凝结气体松弛压缩，且高亮度X射线可能引起水辐解产气稳定气泡；约1 mm小束斑使强联合场作用区有限，冲击载荷累积不足，故SC610主要发生弹性响应或轻微缺陷，未出现可测宏观硬化。CMSX-4局部屈服应力较低，相同条件下更易塑性变形，故温和水基空化也能提高硬度。与九州同步辐射BL09宽照射区对比，宽束使冲击在整个表面累积并超过塑性变形阈值，SC610和CMSX-4均显著硬化；说明SC610+水/重水未显著硬化主要由于未能诱导塑性变形。丙酮结合宽束和高压可超过阈值，获得与常规喷丸相当或更高的加工硬化。表面粗糙度方面，丙酮处理后两种材料Ra（arithmetic mean roughness，算术平均粗糙度）在5–10 MPa最大，随压力升高而降低；水/重水体系Ra增加不显著，SC610尤小。低压5–10 MPa粗糙化由空化崩溃局部成坑损伤主导而塑性变形积累有限，故硬度增加小；高压20–25 MPa粗糙度下降，连续冲击波和微射流引起广泛塑性变形，原文认为可能增加位错密度并形成亚晶样结构。水/重水体系中SC610的Ra和硬度变化均小，与其高局部屈服应力一致；CMSX-4硬度和Ra均增加，说明材料变形难易影响粗糙度与硬度相关性。SEM与γ^′相方面，二值化图像显示处理前、后γ^′相比例分别为61.5%和70.5%，处理后接近约70%优化值；处理表面较均匀，无深坑或裂纹，形貌变化与硬度一致；25 MPa下Ra增加受限而硬度最大，表明硬化来自均匀塑性变形而非坑损伤，原文认为涉及位错密度增加和位错结构重排但未获直接证据。表面膜与元素再分布方面，15 MPa中间压力下形成较平滑均匀层状结构，SC610的γ/γ^′衬度局部模糊并出现连续衬度变化，CMSX-4表面层覆盖底层组织且局部坑裂有限，提示氧化物或反应产物形成；低压5–10 MPa为坑损伤主导，高压20–25 MPa膜被强冲击持续破坏去除而保留均匀塑性变形层，15 MPa时空化反应物种与X射线辐解产物促进表面反应，冲击又不足以完全去膜，形成膜形成—去除动态平衡，膜可吸收冲击能而抑制基体塑性变形，故15 MPa硬度未达最大；空化泡内高温高压及·OH、·H等自由基和丙酮介质有机自由基/分解产物可能与金属表面反应，Ni基单晶含Al，可能生成铝氧化物或复杂氧化层；膜为暂态，可被后续高压处理去除，机制随压力由机械损伤向膜形成再向塑性变形转变。激光显微镜显示CMSX-4水/重水20 MPa处理后表面高度变化小于约±0.03 μm，Sa（areal surface roughness，面粗糙度）≈0.015 μm，无明显深坑或侵蚀，呈低粗糙度高硬度；原文认为压缩载荷主导使表面压平致密，抑制成坑和裂纹，同时促进位错集中和位错胞结构。EDS半定量分析因Ta/W信号重叠，主要看相对变化；丙酮体系增加Al和W，Co和Ta降低或波动，显示元素再分布；SC610在25 MPa下Ta相对增加但可能受局部偏析影响；水/重水体系成分变化较小，SC610几乎无显著元素偏析，与Ra小变化一致；CMSX-4出现W、Al增加及Ta、Co波动，属微观尺度元素再分布而无显著表面损伤；CMSX-4低屈服应力使微小成分变化更易反映于力学性能，SC610塑性变形有限故影响较小。低压以局部成分波动为主，中压表面反应贡献显著，高压20–25 MPa趋于均匀；BL09宽束对比表明束照射条件影响成分分布和表面状态，SPring-8约1 mm小束导致高度局域化空化与X射线效应。讨论部分指出，本PXMEI-MFC环境由空化、同步辐射X射线、湮灭γ射线和二次电子构成复杂辐射辅助空化场，各因素共同作用，但本研究无法隔离同步辐射X射线辐照的单独贡献；与相同辐照条件研究直接比较仍有限，需进一步验证；结果应在所用实验条件范围内解释。

结论（4. Conclusions）翻译：研究人员在SPring-8 BL47XU束线将PXMEI-MFC空化处理与高亮度同步辐射X射线联合应用于Ni基单晶高温合金SC610和CMSX-4，评价工作流体和加工压力对表面性能的影响。SC610在丙酮/氘代丙酮混合液20–25 MPa下较原始材料硬度提高约150 HV；CMSX-4在相同介质5 MPa下硬度提高约200 HV。实验结果表明，PXMEI-MFC不仅涉及常规机械表面改性，还包含依赖加工条件的附加表面改性机制。与常规喷丸处理相比，PXMEI-MFC似乎能够提供可变硬化程度和更宽范围的表面改性效果。表面粗糙度、γ^′相分布、元素再分布和表面膜相关特征的变化表明，多种相互作用机制可能贡献于表面改性行为。研究结果表明，PXMEI-MFC是一种有前景的Ni基单晶高温合金表面改性技术，并可能有助于未来应用中高温结构材料的优化。