1. 成果介绍

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了定向合金中晶粒取向与晶界协同作用机制。以实际DZ411合金燃气轮机叶片为研究对象，从中截取板状样品，对比了单晶与双晶试样的变形行为。结果表明，当单晶试样的取向偏离角从2°增加至14°时，其屈服强度从996 MPa显著下降至871 MPa。而在双晶试样中，这种取向敏感性更为突出：当两个晶粒均接近〈001〉取向时，屈服强度高达987 MPa；但当晶粒出现较大取向偏离时（如(4°,16°)、(24°,32°)、(20°,28°)），屈服强度急剧下降至700 MPa左右。研究进一步通过电子背散射衍射（EBSD）技术揭示了其微观机理：在650°C拉伸变形过程中，变形由{111}〈110〉滑移系主导，晶粒的取向旋转方向会受到相邻晶粒的显著影响。更重要的是，晶界对位错运动产生强烈的阻碍作用，导致晶界处强度高于晶内，滑移带在晶界附近停止运动，从而在晶界处引发严重的应力集中。这种因取向差导致的变形不协调，是双晶试样延伸率显著降低的根本原因。

相关工作以题为“Unveiling the coordinated mechanism of orientation and grain boundaries on tensile deformation in directional solidification gas turbine blades”的研究论文发表在《Journal of Materials Science & Technology》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.02.026

2. 背景介绍

重型燃气轮机是能源动力领域的核心装备，其热端部件定向凝固涡轮叶片，需要在极端高温和复杂应力环境下长期稳定服役。定向凝固技术通过消除横向晶界，并使晶粒的〈001〉方向与叶片主应力轴平行，从而赋予合金优异的高温力学性能。然而，随着燃气轮机效率的不断提升，叶片结构日益复杂、尺寸愈发增大，在定向凝固过程中，特别是榫头等区域，极易因温度梯度不足而产生晶粒取向偏离〈001〉方向的现象，形成小角度或大角度晶界。

镍基高温合金具有显著的各向异性，晶粒取向的微小偏差都会导致其拉伸、蠕变等性能发生剧烈变化。以往研究多聚焦于理想状态下的单晶合金变形行为，或仅关注单一晶粒的取向影响。然而，在实际服役的定向凝固叶片中，由多个晶粒组成的双晶或多晶结构才是常态。此时，不同晶粒的取向差异及其间的晶界如何协同变形、如何影响整体力学性能，其内在机理尚不明确。特别是在叶片榫头工作温度（约650°C）下，这种由取向偏离和晶界共同主导的复杂变形机制，成为制约定向凝固叶片性能预测的关键。

3. 图文解析

图1 (a) 叶片的尺寸及定向合金晶粒的宏观形貌；(b) 叶片的纵向截面及单晶和双晶拉伸试样的示意图；(c)拉伸样品的IPF图；(d) 单晶和双晶样品沿拉伸轴的取向。

图1展示了从实际涡轮叶片叶身和榫头截取试样的示意图、纵向拉伸试样的尺寸与加载方向，以及单晶（SX）和双晶（BX）试样的初始晶体取向分布和晶粒间的取向关系。BX1两个晶粒均接近[001]（偏差5°和7°），BX2一个晶粒接近[001]、另一个偏离（4°和16°），BX3和BX4两个晶粒均严重偏离（24°/32°和20°/28°）。

图2  SX和BX试样沿DS方向的拉伸试验：(a) 工程应力-应变曲线；(b) 加工硬化率曲线。

图2展示了不同试样的屈服强度、延伸率对比以及应变硬化行为。从图中可以清晰看出：取向主导了屈服强度，接近[001]的SX1屈服强度高达996 MPa，而偏离[001]的SX2仅为871 MPa；晶界则主要损害延伸率，即使两个晶粒均接近[001]的BX1，其延伸率（9.7%）也远低于取向相同的单晶SX1（15.9%）。，

图3 (a) 在标准极射赤面三角形中由{111}<110>滑移系主导的晶格旋转过程示意图；(b) 在标准极射赤面三角形中由{111}<112>滑移系主导的晶格旋转过程示意图；具有不同偏离角(DA)并遵循理论取向演化路径的晶粒：(c) SX1, (d) SX2, (e) BX1, (f) BX2；以及偏离理论取向演化路径的晶粒：(g) BX3, (h) BX4。箭头从初始取向指向断裂后取向。

所有含近[001]晶粒样品的实际旋转路径均与{111}〈110〉滑移系主导的理论路径高度吻合，证明在650°C拉伸变形过程中，{111}〈110〉是主导的滑移系。值得注意的是，在双晶试样BX3和BX4中，当两个晶粒均严重偏离[001]方向时，其实际的取向旋转方向与理论路径出现了轻微偏差，这意味着晶粒间的相互作用会对彼此的取向旋转产生干扰。

图4 断裂标距段的EBSD图：SX1、SX2、BX1、BX2、BX3和BX4的KAM图和IPF图。BX样品中晶粒G2内的高亮区域对应虚线圆内初始取向附近的取向扩展。

图4展示了各试样拉伸断裂后的KAM图和反极图IPF图。在单晶试样SX1和SX2以及取向相近的双晶BX1中，应变分布相对均匀，整个截面未出现明显的应力集中区域。然而，在存在大角度晶界的双晶试样BX2、BX3和BX4中，晶界附近出现了显著的应力集中，KAM值高达晶内区域的2–3倍。这表明晶界对位错运动产生了强烈的阻碍作用，导致位错在晶界处塞积，形成局部高应力区。IPF图进一步揭示了晶界对取向旋转的约束作用。在双晶试样中，晶界附近区域的取向旋转幅度明显小于晶粒内部区域；在同一水平位置上，距离晶界越远，取向变化越大，而紧邻晶界的区域取向几乎保持不变。这种由晶界约束导致的局部变形不协调，是裂纹在晶界处优先萌生的直接原因。

图5 极图显示横截面上激活的滑移系取向：(a1和a2)、(b1和b2)、(c1和c2)分别代表样品BX2、BX3和BX4的晶粒G1和G2。红色实线箭头表示在相邻晶粒沿绿色箭头方向收缩产生的力（黄色箭头）作用下，理论滑移方向（红色虚线）上的实际滑移方向。

图5展示了不同双晶试样中激活滑移系的空间分布关系，并揭示了晶粒间相互作用导致取向旋转方向偏离的力学机制。在BX2试样中，左侧接近[001]取向的G1晶粒激活了多个滑移系，从而允许右侧G2晶粒沿理论路径旋转，未出现明显偏离。而在BX3和BX4试样中，两个晶粒均严重偏离[001]取向，每个晶粒仅能激活一个最有利的{111}〈110〉滑移系。在拉伸变形过程中，单个晶粒会沿着其激活滑移系的旋转轴发生伸长和径向收缩。G2的径向收缩会对左侧的G1施加一个向右的水平分力，导致G1的取向向右偏转；同样，G1的径向收缩也会对G2施加向左的水平分力，导致G2的取向向左偏转。这种相互作用的侧向力使得两个晶粒的实际旋转方向均偏离了理论预测的路径，产生了变形不协调。

图6 不同取向构型BX的变形机理图：(a) 一个晶粒接近[001]取向，另一个晶粒偏离；(b) 两个晶粒均存在取向差。激活的滑移面和滑移方向分别由蓝色虚线和红色箭头标示。

图6以示意图的形式概括了双晶变形模型。当一个双晶试样中包含一个接近[001]取向的晶粒时，该晶粒能够激活多个{111}〈110〉滑移系，有效协调和缓冲相邻偏离晶粒变形所带来的不均匀应力。当两个晶粒均严重偏离[001]取向时，每个晶粒各自只能激活最有利的一个滑移系，这种变形不协调使得应力集中加剧，晶界处更早萌生裂纹，最终导致屈服强度和延伸率均大幅下降。

4. 结论与展望

该研究系统揭示了实际定向凝固叶片中，由晶粒取向偏离和晶界共同主导的高温变形机理。该研究成果为预测含有晶界缺陷的定向凝固叶片力学性能提供了理论依据和实验数据，对于重型燃气轮机叶片的缺陷检测具有重要的工程价值。

5 通讯作者简介

郭敏，女，博士，西北工业大学材料学院副教授，博士生导师，先进高温合金陕西省高等学校重点实验室副主任。长期从事高性能高温合金及其复杂构件凝固成形基础和应用研究，主持国家自然科学基金3项、国家重点研发项目课题1项、“两机专项”项目子课题2项、陕西省重点研发计划重点产业创新链1项等国家/省部级项目十余项，参与其它国家自然基金重点、国家重点研发计划等国家级重点项目4项。在Adv Funct Mater，J Mater Sci Technol，Scripta Materialia等知名学术期刊上发表论文96篇，其中SCI 收录85篇；授权中国发明专利21件，公开美国发明专利2 件。获陕西省科学技术一等/二等奖各1 项、中国材料研究学会基础研究二等奖1项、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等/一等奖各1项、陕西省冶金科学技术一等奖2项；获陕西省金属学会“陕西冶金青年科技标兵”称号，担任《中国有色金属学报》中英文版青年编委。