摘要：航空发动机在高温与复杂载荷等严苛环境下长期运行，对其涡轮叶片用镍基单晶高温合金提出了优异的耐疲劳性和抗蠕变性能要求。在中温环境下叶片承受周期性应力，易在应力集中区域（如叶根和叶身薄弱部位）萌生疲劳裂纹并逐步扩展最终导致低周疲劳失效。尽管大量研究表明低周疲劳裂纹

一、 【导读】

航空发动机在高温与复杂载荷等严苛环境下长期运行，对其涡轮叶片用镍基单晶高温合金提出了优异的耐疲劳性和抗蠕变性能要求。在中温环境下叶片承受周期性应力，易在应力集中区域（如叶根和叶身薄弱部位）萌生疲劳裂纹并逐步扩展最终导致低周疲劳失效。尽管大量研究表明低周疲劳裂纹通常起源于枝晶组织中的凝固缺陷（如碳化物夹杂、缩孔和共晶等），但针对这些缺陷引发的局部损伤仍缺乏系统的定量统计分析。现有的损伤机制认知多基于常规二维表征，可能导致对低周疲劳失效的微观力学机制理解产生偏差。要全面揭示镍基单晶高温合金的中温低周疲劳损伤机制仍需大量实验验证，尤其需要在三维尺度上对特定区域的内部微观结构与损伤水平进行统计关联分析。在亚微米尺度捕捉并分析弹性应力/应变场分布尤为关键，这对于理解裂纹尖端的变形相容性、裂纹萌生及亚临界扩展行为至关重要，同时有助于揭示延性受限与脆性断裂的微观机理。

二、【成果掠影】

为解决这一问题，北京科技大学新金属材料全国重点实验室王沿东教授团队与法国ISAE-ENSMA的Jonathan Cormier教授、美国阿贡国家实验室先进光源的Wenjun Liu教授等人合作，提出了一种结合同步辐射X射线三维微衍射（3D-μXRD）、三维成像（micro-CT）及相关电子显微镜的跨尺度关联表征新方法。该方法首次实现了对疲劳态单晶高温合金中枝晶干与枝晶间区域在微观组织、缺陷及应力/应变三维分布方面的亚微米尺度精确表征。研究发现，枝晶干区域以单滑移为主，形成明显滑移带，而枝晶间区域则表现出多滑移特征，导致位错堆积。链状缺陷在枝晶间诱发局部高拉应力区，并最终演化为疲劳损伤区，从而揭示了单晶高温合金中力学异质性主导的疲劳损伤机理。

相关工作以“Heterogeneous fatigue damage in a nickel-based single-crystal superalloy unraveled using correlative 3D X-ray technology”为题在线发表在国际材料顶级学术期刊《Acta Materialia》上。北京科技大学为该文的第一完成单位，新金属材料全国重点实验室2020级博士周再峰为第一作者。王沿东教授与Jonathan Cormier教授为共同通讯作者。其他合作单位包括中国科学院金属研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所以及中国科学院高能物理研究所。

三、【核心创新点】

在中温低周疲劳测试（包括失效态与早期加载阶段）下，对镍基单晶高温合金中的残余应力/应变场、枝晶组织及凝固缺陷的相关分布进行了亚微米分辨率的三维精确映射。

研究定量揭示了凝固缺陷诱导的位错堆积在枝晶间区域引发的不均匀应力分布，并首次直接证实：枝晶间因缺陷介导的非均匀变形所产生的局部拉应力，高于枝晶干中由滑移带引起的应力水平。

四、【数据概览】

图1 空间关联3D-μXRD与micro-CT以解析晶体取向与弹性应变场：(a) 同步辐射3D-μXRD测量过程示意图；(b)试样内部3D-μXRD扫描区域（红色虚线标示），覆盖范围包括三个用于数据配准的micro-CT切片孔洞（蓝色虚线标示），下方半透明截面突出显示枝晶干与枝晶间结构，并以黑色虚线加以划分；(c) 3D-μXRD截面内凝固缺陷的三维形貌展示

图2 疲劳失效镍基单晶高温合金的同步辐射3D-μXRD晶体学取向信息汇总：（a）Y方向~1°范围内的反极图；（b）几何必需位错（GND）密度分布图；（c）晶粒平均参考取向偏差角图；（d）图(c)中透明区域沿X轴的导数分布；（e）晶粒平均参考取向偏差的旋转轴分布图

图3 3D-μXRD测量截面附近的位错组态TEM分析：（a-c）枝晶干；（d-f）枝晶间

图4 疲劳失效镍基单晶高温合金的3D-μXRD弹性应变信息汇总：（a）样品坐标系的示意图；（b）正应变ԑyy分量图；（c）切应变ԑzy分量图；（d）图（c）中黑色虚线框区域；（d2）图（d）的切应变ԑzy梯度图；（d3）图（d）的局部取向差图；（e）图（d2）和（d3）中黑色与白色矩形内的数据沿箭头指示方向的变化

图5 凝固缺陷引发异质疲劳损伤机理：（a）枝晶干与枝晶间微观不相容变形机制；（b）枝晶间连续疲劳开裂机制

五、【成果启示】

综上，本研究创新性地构建了一套多模态分析方法，结合同步辐射三维微衍射、高分辨三维成像与电子显微技术，精准解析了涡轮叶片用镍基单晶高温合金中枝晶干与枝晶间不同区域的亚微米尺度应力/应变三维分布及组织-应力-缺陷的空间关联特征。结果深入揭示了在中温低周疲劳条件下，凝固缺陷如何诱发微观不相容变形、加剧损伤非均匀性并促进枝晶间疲劳开裂的微观机理。该研究为疲劳寿命预测模型的优化和高性能高温合金的设计提供了坚实的理论基础与实验支持，同时也为构建先进的多物理场疲劳模型提供了关键数据与机制认知。

原文详情：ZHOU Z, LI R, WANG Y, et al. Heterogeneous fatigue damage in a nickel-based single-crystal superalloy unraveled using correlative 3D X-ray technology[J]. Acta Materialia, 2025, 35 1. DOI:10.1016/j.actamat.2025.121326.

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟