1. 简介

通过适当的冷轧预变形处理，可显著提升一种新型低层错能沉淀强化多晶镍基高温合金在750°C下的强度与塑性。研究表明，预变形会诱导微观亚结构的形成，包括位错、反相界（APBs）、层错以及洛默-科特雷尔锁（L-C锁），且这些亚结构的数量随预变形程度的增加而增多。当预变形量为15%时，仅在晶界附近检测到少量变形孪晶；而在25%预变形试样中，孪晶数量进一步增加。此外，纳米孪晶的形成与铜型孪晶（CuT）和Brass型织构的增强密切相关。

在5%至15%的预变形范围内，合金在750°C下的屈服强度随冷轧预变形量的增加而提高。值得注意的是，25%预变形试样的屈服强度略低于15%预变形试样，但仍高于未预变形及5%预变形试样。抗拉强度则随预变形量的增加持续上升。其中，15%预变形试样的塑性最低。而25%预变形试样由于低回复与再结晶激活能、高密度纳米孪晶、晶粒细化以及冷轧预变形激活纳米孪晶机制的有利晶体取向等因素，在750°C下表现出较高的延展性。

本研究系统探讨了预冷轧变形、微观组织、织构与力学性能之间的关系，表明冷轧预变形有望同时提升镍基高温合金的强度与塑性。

2. 文章亮点

1. 预变形诱导纳米孪晶与织构协同强化
通过冷轧预变形（5%-25%）在低层错能镍基高温合金中成功引入纳米孪晶，其密度随预变形量增加而显著提升（如25%预变形时达0.085 μm⁻¹），并发现纳米孪晶形成与CuT/Brass型织构增强密切相关，为同时提升强度与塑性提供了新途径。

2. 预变形优化高温力学性能的阈值效应
研究发现15%预变形时合金在750℃下屈服强度最高（优于未变形及5%试样），而25%预变形虽强度略降，但因纳米孪晶、细晶化及低再结晶激活能等因素，塑性反超标准热处理试样，突破了传统预变形导致塑性下降的局限。

3. 多尺度亚结构协同作用机制
揭示了预变形诱导的位错、反相界、层错及L-C锁等多尺度亚结构（如25%预变形时位错密度达2.93×10¹⁴ m⁻²）与γ′相交互作用的强化机制，特别是纳米孪晶对位错运动的强阻碍作用，为设计高性能高温合金提供理论依据。

3. 研究背景

镍基高温合金因其优异的抗静态载荷、疲劳和蠕变性能，成为航空航天发动机高温部件的首选材料。提高涡轮进气温度可增强航空发动机功率效率，从而提升推重比和燃油经济性，但这也对热端部件的耐温能力与力学性能提出了更高要求。

传统强化手段包括通过添加Cr、Mo、W、Ru等固溶强化元素，以及Al、Ti、Nb、Ta等沉淀强化元素以提高γ’相含量。然而，过量合金元素会缩小热加工窗口、增加制备难度并导致偏析问题。此外，固溶元素会促进拓扑密堆（TCP）相的形成，而高浓度TCP相会损害合金性能。尽管经过多年发展，单纯依赖合金化提升性能已面临瓶颈，亟需探索新的强化方法。

近年来，通过预置亚结构优化合金力学性能的方法受到关注。研究表明，面心立方金属中的纳米孪晶可在不损失塑性的前提下提高强度，该技术已成功应用于纯铜、铜合金、不锈钢、TWIP钢和高熵合金等材料。Yuan等和Tian等发现，特定范围内增加Co含量可降低镍基高温合金的层错能（SFE），使合金在变形时更易形成层错和纳米孪晶，从而阻碍位错运动并提升性能，这为高温服役条件下的强化提供了新思路。

热机械处理是调控金属材料微观组织与性能的有效手段，也适用于低SFE多晶镍基高温合金。例如，Polkowska等对Haynes®282®合金进行10%-70%冷轧及热处理后，其室温屈服强度从397 MPa提升至1484 MPa；Zhu等通过725°C/630MPa蠕变实验在Ni-Co基合金中生成纳米孪晶和Suzuki偏聚，随预应变时间延长，其23°C和760°C下的屈服强度持续提高；Yang等则通过预拉伸处理在低SFE镍基合金中预置位错、层错和L-C锁，显著提升了室温和高温强度。

面心立方合金的织构演变与其变形机制密切相关：中高SFE合金以位错交滑移为主导，形成沿β纤维分布的Cu型织构（如Copper、S、Brass）；而低SFE合金更易形成沿α纤维分布的Brass型织构（如Goss、Brass、α55°、P、RtG）。高强度Brass织构的形成通常与变形孪晶和剪切带相关，且Goss织构易转变为Brass织构。纳米孪晶的生成会促进冷轧过程中CuT织构的形成，并通过孪晶机制实现Cu型向Goss织构的转化。此外，低温高应变率下交滑移受抑制，Brass织构可进一步转变为Goss和RtG织构。

现有关于低SFE镍基合金预变形的研究虽能提高强度，但往往伴随塑性下降，且未充分阐明晶体取向、变形机制与力学性能的关系。本研究基于低SFE设计理念开发新型多晶沉淀强化镍基合金，系统探究不同预变形量对750°C服役条件下组织、织构及性能的影响，以建立预变形程度与材料性能的关联规律。

4. 图文解析

5. 文章结论

通过适当的冷轧预变形处理，可显著提升新型低层错能沉淀强化多晶镍基高温合金GH4251在750°C下的强度与塑性。研究表明，预变形会诱导微观亚结构的形成，包括位错、反相界（APBs）、层错以及洛默-科特雷尔锁（L-C锁），且这些亚结构的数量随预变形程度的增加而增多。当预变形量为15%时，仅在晶界附近检测到少量变形孪晶；而在25%预变形试样中，孪晶数量进一步增加。此外，纳米孪晶的形成与铜型孪晶（CuT）和Brass型织构的增强密切相关。

在5%至15%的预变形范围内，合金的屈服强度随冷轧预变形量的增加而提高。值得注意的是，25%预变形试样的屈服强度略低于15%预变形试样，但仍高于未预变形及5%预变形试样。抗拉强度则随预变形量的增加持续上升。其中，15%预变形试样的塑性最低。而25%预变形试样由于低回复与再结晶激活能、高密度纳米孪晶、晶粒细化以及冷轧预变形激活纳米孪晶机制的有利晶体取向等因素，在750°C下表现出较高的延展性。

断口分析表明，预变形试样的断裂模式从标准热处理试样的混合断裂（沿晶断裂与准解理断裂）逐渐转变为以韧窝为主的韧性断裂。这种转变与预变形诱导的晶粒细化、纳米孪晶形成以及位错密度分布优化直接相关。透射电镜观察进一步证实，高温拉伸过程中纳米孪晶的动态形成及其与位错的交互作用，是提升合金高温塑性的关键机制。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147271