电子束熔化的二元Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在蠕变变形过程中的孪晶激活再结晶行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Twinning-activated recrystallization behavior of electron beam melted duplex Ti-48Al-2Cr-2Nb alloys during creep deformation

　　

摘要

揭示具有复杂异质结构的电子束熔炼（EBM）γ-TiAl合金的蠕变软化机制仍然是一个关键挑战，特别是关于变形孪晶作用的争议性讨论。在这项研究中，通过结合高温蠕变实验、微观结构表征和元胞自动机（CA）模拟的方法，展示了一种新的由孪晶诱导的动态再结晶（DRX）机制。与传统观点认为孪晶是独立的并行机制不同，研究发现孪晶实际上是必要的前提条件，其中新生的晶界充当“动态Hall-Petch障碍”，触发几何上必需的位错（GNDs）积累，并随后转变为低角度晶界（LAGBs）。结果表明，在低应力下蠕变过程由界面驱动的DDRX主导，而在高应力下则转变为由孪晶辅助的CDRX相关的晶界演化。这一转变主要通过CA模拟和动力学分析得到支持，而300 MPa下的EBSD和TEM观察结果为高应力下的CDRX相关演化提供了进一步的直接实验证据。此外，估计的孪晶-晶界强化应力与GND相关应力的大小一致，这与提出的“孪晶-GNDs-LAGB-CDRX”路径相符。这些发现建立了一个将应力水平与微观结构演化联系起来的统一框架，为优化增材制造金属间的蠕变性能提供了新的见解。

引言

γ-TiAl因其低密度、高比强度和优异的蠕变抗力而被认为是镍基超合金在高温航空航天部件中的替代品[1]、[2]。然而，其在室温下的脆性限制了使用传统方法制造复杂几何形状的可行性。电子束熔炼（EBM）解决了这些成形难题[3]、[4]、[5]，但不可避免地会产生由复杂热循环驱动的独特“双异质结构”[6]、[7]。这种结构具有多尺度层次性，包括宏观尺度的交替柱状和等轴晶粒[6]、[8]，以及微观尺度的纳米层状簇和柔软的等轴γ晶粒[9]、[10]。这种晶粒结构会显著影响增材制造合金的变形适应性和机械响应[11]、[12]。在EBM TiAl合金中，这种双异质微观结构在热处理后仍然保持不变，因此处理后的微观结构对机械响应至关重要。蠕变被确定为TiAl合金在服役中的主要失效模式。尽管这种双异质结构有助于同时提高强度和塑性[13]、[14]，但在高温下可能会引入潜在的脆弱性。具体来说，这种复杂界面固有的晶界粘度可能会损害蠕变抗力。

从根本上说，这种失效行为受材料软化机制的控制。主导的软化机制通常归因于动态再结晶（DRX），它通过特定的微观结构路径演化：由晶界膨胀驱动的不连续动态再结晶（DDRX）和涉及亚晶粒旋转的连续动态再结晶（CDRX）[15]、[16]。目前的理解认为，DDRX和CDRX的竞争和共存构成了主要的软化机制[17]、[18]、[19]、[20]。值得注意的是，在低堆垛故障能（SFE）金属体系中，变形孪晶是一个重要的变形适应机制。最近的研究表明，堆垛故障能强烈调节与孪晶相关的变形机制的激活和竞争[21]。传统上，孪晶和DRX通常被视为并行的变形机制，而不是因果相关的过程。然而，在低SFE合金中的研究表明，孪晶和再结晶之间可能存在相互作用。Zou等人[22]指出，在Mg-Zn-Mn合金中，孪晶诱导的DRX是重要的机制，其中孪晶有助于粗晶粒的细分。同样，Sun等人[23]表明孪晶界可以阻碍位错运动并加速亚晶粒向高角度晶界的演化。更多最近的研究进一步表明，孪晶界可以影响位错传输并促进位错亚结构的发展[24]。在这种背景下，鉴于TiAl合金的低堆垛故障能，变形孪晶在变形过程中是否也起着重要作用，特别是在晶粒细化和与DRX相关的晶界演化方面，仍不清楚。

为了揭示变形和软化之间的复杂相互作用，数值模拟是对实验表征的重要补充，特别是因为再结晶微观结构的动态演化难以直接观察。在各种模拟框架中，包括相场方法[25]和晶塑性[26]，元胞自动机（CA）方法为跟踪变形过程中的微观结构演化提供了一种有效途径。CA建模的发展通常从传统的概率模型[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]发展到位错耦合模型[30]、[36]、[37]、[38]、[39]。概率CA模型可以再现典型的再结晶动力学和“项链”结构[32]、[33]，但其随机成核规则主要是现象学的，缺乏足够的物理严格性[22]、[34]、[35]、[40]。为了改进CA模拟的物理基础，通过结合位错密度演化来描述加工硬化和动态恢复之间的平衡，开发了位错耦合模型。例如，Ding等人[38]将Kocks-Mecking模型与CA模拟相结合，定义了再结晶成核的临界位错密度，而Zhang等人[30]使用局部位错密度差异作为晶界移动的热力学驱动力。尽管有这些进展，当前的CA框架对于EBM制造的TiAl合金的蠕变变形仍有两个关键限制。首先，大多数模型依赖于理想化和均匀的初始微观结构，无法捕捉EBM加工引入的双异质结构；这种简化可能导致显著的预测误差，正如Liu等人[41]所强调的。其次，现有模型通常描述单一的再结晶路径，例如DDRX[37]或CDRX[42]，因此无法再现多种软化机制的竞争和共存。更重要的是，它们没有明确变形孪晶如何参与晶粒细分、局部错位积累和与DRX相关的晶界演化。因此，现有模型对于解释EBM制造的TiAl合金复杂的蠕变软化行为仍然不足，重建初始微观结构及其潜在机制也是研究软化行为的重要方面。

本研究探讨了变形孪晶在EBM制造的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中是否将蠕变变形与DRX软化联系起来。它不是将孪晶和DRX视为独立的机制，而是探索孪晶在再结晶辅助蠕变软化中的作用。由于单凭蠕变后的微观结构无法完全解释DDRX和CDRX的转变，因此使用CA模拟来监测微观结构演化，同时考虑DDRX和CDRX的共存和竞争。通过将孪晶的实验证据与模拟的DDRX/CDRX演化联系起来，本研究提供了对双相TiAl合金蠕变软化的机制性理解。

部分摘录

实验

本研究中使用的前驱材料是采用EBM制造的Ti-48Al-2Cr-2Nb（百分比未给出）合金。详细的加工参数和扫描策略遵循了先前文献[43]中建立的程序，如图1(a)所示。使用电火花切割从打印体积中提取了拉伸蠕变试样。这些试样的尺寸和取向在图1(b)和图1(c)中示意性地说明。

蠕变行为和微观结构演化

表1总结了该合金在800 °C下不同应力下的蠕变寿命、残余应变和稳态蠕变率。随着应力从150 MPa增加到300 MPa，蠕变寿命从293.84小时减少到21.37小时，而稳态蠕变率从4.25×10?? s?1增加到1.60×10?? s?1，表明蠕变变形具有明显的应力依赖性。如图2(a)所示，所有蠕变曲线都表现出典型的三个阶段行为，包括初级、稳态和

从DDRX到CDRX的应力依赖性转变的动力学基础

基于上述结果，本节从高温变形动力学的角度分析了蠕变机制的应力依赖性及其转变原因。高温塑性变形过程中不同机制之间的竞争通常用Zener-Hollomon参数来描述，以下简称Z参数。Z参数是一个温度补偿的应变率因子，用于反映

结论

本研究考察了EBM生产的双相Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的蠕变变形和再结晶辅助软化机制，特别是变形孪晶如何将变形积累与DRX相关的软化联系起来。主要发现总结如下。

• (1)
  在800 °C下，该合金表现出明显的应力依赖性蠕变行为。CA模拟和动力学分析支持从低应力下的界面相关DDRX向孪晶辅助的

CRediT作者贡献声明

吴玉红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，形式分析。王凯：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。张悦：软件，方法论。刘芙蓉：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。焦泽辉：资金获取。张贺：软件，方法论。郑郝：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号2022YFB4601901）、国家科技重大项目（J2019-VII-0016-0156）和北京市属高校基本科研业务费（312000546325001）的支持。在准备本手稿时，仅使用AI辅助工具进行语言润色。没有使用AI工具进行数据生成、数据分析、模型开发、科学解释或结论制定。

吴玉红|王凯|张悦|焦泽辉|张贺|郑郝|刘芙蓉跨尺度激光制造重点实验室（北京工业大学），教育部，北京100124，中国