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引文格式：
Wang Q, Ge S, Wu D, et al. Evolution of microstructural characteristics during creep behavior of Inconel 718 alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 857: 143859.
Wang, Qian, et al. "Evolution of microstructural characteristics during creep behavior of Inconel 718 alloy." Materials Science and Engineering: A 857 (2022): 143859.
Wang, Q., Ge, S., Wu, D., Ma, H., Kang, J., Liu, M., ... & Su, R. (2022). Evolution of microstructural characteristics during creep behavior of Inconel 718 alloy. Materials Science and Engineering: A, 857, 143859.
背景简介
Inconel 718合金是一种沉淀相强化镍基高温合金，广泛应用于工作温度约为600-650℃的结构中。镍基高温合金具有抗疲劳、抗蠕变、抗腐蚀性、可焊性、抗氧化性和易于锻造等优点，因此广泛应用于高温环境（例如涡轮发动机）以及先进航空发动机、航天飞行器和燃气轮机的盘形部分。在高温和外荷载的共同作用下，蠕变是影响结构破坏的重要因素之一。因此，准确理解蠕变的损伤过程是结构设计和材料制造的基础。Inconel 718合金的微观结构由五个不同的相组成：γ、γ''(Ni3Nb)、γ'(Ni3AlTi)、δ(Ni3Nb)和MC碳化物。板状γ''相是主要的强化相，但是不稳定，因为它在高温下会转变为δ相。球状γ'相为第二相强化，强化效果低于γ''相。而δ相是在晶界处的沉淀并抑制晶粒生长的稳定相。然而，过多的相会影响合金的性能。
成果介绍
（1）随着温度/应力的增加，γ''相向δ相的转变速度加快。δ相不仅沿晶界析出，而且由于能量上有利的晶体对称性，δ相也沿孪晶边界析出。从图1（b-f）可以发现，随着蠕变温度的升高，δ相的面积分数逐渐增加，同时，δ相形状从粒状变为棒状结构。此外，在晶界处形成了许多孔洞和裂纹。它们的尺寸和数量随着温度的升高而增加，并具有明显的连接趋势，表明蠕变损伤过程随着温度的增加而加速。从图2可以看出随着蠕变温度的进一步升高，大部分γ''相被拉长和粗化。拉长的γ''相开始异常生长，失去了与基体的相关性，演变成针状δ相（图2c和d）。粗颗粒和棒状δ相主要出现在670℃以上。同时，γ''相的数量急剧减少，只留下一小部分γ''和γ'相。产生蠕变损伤后，δ相的面积分数随着应力的增加而逐渐增加，δ相也出现在晶粒内（图3c）。随着蠕变应力的增加，γ''相的形貌呈现出粗化趋势（图3d-f）。此外，蠕变过程中的应力加速了γ''相的粗化。应力导致应变能增加并降低γ''相与基体之间的界面稳定性，从而促进γ''相和δ相的形成（图3f）。TEM图像（图4a和b）显示了孪晶边界处的原子排列，这种局部堆积序列诱导的晶体对称性与δ相的结构一致（图4c），为δ相的沉淀提供了有利的能量条件。
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图1 铬镍铁合金在蠕变前和690MPa蠕变下不同温度下的SEM显微照片：(a)蠕变前；(b)650℃；(c)660℃；(d)670℃；(e)680℃和(f)690℃。
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图2 690MPa下不同温度的蠕变损伤和蠕变前的强化相和δ相的形态：(a)蠕变前;(b)650℃;(c) 660℃; (d) 670℃; (e) 680℃; (f) 690℃。
图3 Inconel 718合金在650℃下蠕变和蠕变前的SEM显微照片（a和d）蠕变前；（b和e）690 MPa和（c和f）725 MPa（在两种不同应力下）。
图4 Inconel 718合金在条件为650℃/690 MPa蠕变断裂后的TEM图像：（a）HAADF图像，使用蓝色虚线显示孪晶；（b）孪晶和基体的HRTEM图像（c）γ''和δ相的原子结构和晶体模型，以及孪晶边界处沉淀的原子结构。
（2）晶界滑移导致δ相附近的应力集中，导致孔洞的形成。随着蠕变时间增加，孔洞增长并连接形成裂纹，而δ相的形成导致了穿晶断裂的倾向。从图5可以看出，孪晶边界和δ相附近存在位错堆积的现象，表明孪晶和δ相对位错运动有阻碍作用。位错数量随蠕变时长增加而增加，位错堆积发生在晶界上的δ相附近。δ相是硬脆相，δ相附近的位错积累导致应力集中，这再次导致晶界裂纹萌生。因此，析出物、位错和孪晶之间的相互作用在影响Inconel 718合金塑性变形中起着至关重要的作用。
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图5 蠕变过程中微观结构响应的示意图
（3）蠕变样品的断口分析表明，断裂模式结合了沿晶断裂和穿晶断裂以及韧窝和解理面。δ相周围的孔洞和MC碳化物是失效的主要原因。位错运动受到晶界和δ相的阻碍（图6a），导致位错堆积和应力集中，进而导致孔洞的形成。图6b显示了晶粒内的裂纹扩展路径，表明裂纹沿着位错滑移生长，直到遇到δ相。之后，裂纹绕过δ相并沿白色箭头突出显示的方向传播。晶界处的δ相具有相反的作用，即它倾向于缓解甚至抑制蠕变过程中的晶界滑动，从而防止裂纹的形成和扩展。对蠕变试样的断裂表面进行了微观结构分析（图7）。可以看出断裂表面表现出结合沿晶断裂和穿晶断裂以及韧窝和解理面的断裂模式。在低温和应力作用下，表面覆盖有韧窝和解理面，晶界上的δ相周围有少量裂纹（图7a-c）。此外，沿晶界观察到明显的孔洞，其中一些孔洞是由于滑动过程中晶界颗粒（如δ相和MC碳化物）的分离造成的。随着温度和应力的增加，断裂面出现了更宽的解理面（图7d-f），表明穿晶断裂的趋势增加。此外，几个大的孔洞合并形成深裂纹，它们优先聚集在孔洞更密集的区域。值得注意的是，裂纹周围存在大量MC碳化物，并且在其附近存在孔洞。MC碳化物通过消耗大量Nb来降低强化效果，更重要的是，它们促进了塑性变形过程中孔洞的成核，从而加速了蠕变过程中的断裂。
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图6 (a)显示位错运动的TEM显微照片和(b)显示裂纹扩展路径的TEM显微图片。
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图7 在不同条件下测试的蠕变试样断裂表面的微观结构分析：(a)650℃/690MPa；(b)660℃/690MPa；(c)670℃/690MPa；(d)650℃/725MPa；(e)680℃/690MPa；(f)690℃/690MPa。
致谢
这项工作得到了河北省省级科技计划资助（20311007D）、河北省重点研发计划（22351008D）和河北省科技创新项目（SJMYF2022X04）的支持。本文通讯作者：吴大勇、苏孺（河北科技大学）。
本期小编：郑聪祥（整理）
徐浩波（校对）
王康康（审核）
闵 琳（发布）
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