增材制造NiAl-CrMo复合材料的蠕变性能与变形机制

《Advanced Engineering Materials》：Creep Properties and Deformation Mechanism of Additively Manufactured NiAl-CrMo Composites

为解决NiAl基高温结构材料室温脆性与高温蠕变抗力不足的问题，本研究聚焦增材制造(AM) NiAl-CrMo原位复合材料的700–900°C蠕变行为。研究发现，高密度的胞界与界面位错网络在低温高应力下主导位错滑移机制，而在高温低应力下则转变为扩散控制的位错攀移，揭示了AM工艺通过调控界面密度优化中温蠕变强度的潜力。

　　

在航空航天和能源领域，高温结构材料需要在极端环境下保持稳定。B2有序NiAl金属间化合物因其高熔点、优异抗氧化性和低密度，被视为替代镍基高温合金的潜力股。然而，单相NiAl在室温下脆性大，高温下蠕变抗力不足，这限制了其工程应用。为了“拯救”NiAl，科学家们引入了CrMo固溶体(CrMo_ss)作为增韧相，形成了NiAl-CrMo原位复合材料。传统的定向凝固(DS)技术虽然能制备该材料，但存在严重的各向异性，且在高凝固速率下韧性下降。增材制造(AM)技术，特别是电子束粉末床熔融(PBF-EB)，以其极快的冷却速度，能够制造出具有超细胞状结构和极高界面密度的新型微观组织，这为解决上述问题提供了新思路。

本研究利用PBF-EB技术制备了Ni_30.6Al₃₆Cr_31.4Mo₂(at.%)合金，系统研究了其在700–900°C温度区间的蠕变性能与变形机制，揭示了高密度界面在调控中高温力学行为中的关键作用。

关键技术方法

研究采用电子束粉末床熔融(PBF-EB)制备Ni_30.6Al₃₆Cr_31.4Mo₂合金试样，通过电子背散射衍射(EBSD)和扫描透射电子显微镜(STEM)表征了从纳米级互联网络到粗化棒状组织的微观结构演变。利用压缩蠕变实验和应变速率跳跃实验，结合不同应变下的中断实验，系统评估了高温蠕变行为，并通过位错结构分析阐明了变形机制随温度/应力的演变。

3.1 Microstructure

PBF-EB制造的合金呈现出独特的微观结构特征。在低倍下，组织由明显的熔池线（melt lines）和其间的等轴胞状结构组成。高倍观察显示，初始的纳米级CrMo_ss互联网络(ICN)在打印过程的热循环作用下，发生了严重的间断粗化(DC)，转变为板条状或棒状形态，粗化区域占比高达约80%。重要的是，由于晶格错配和本征热处理，在建造态下，NiAl基体与CrMo_ss增强相之间就已经形成了完全发育的界面位错网络，这为后续的蠕变变形提供了关键的界面结构基础。

3.2 High Temperature Mechanical Properties of PBF-EB NiAl-CrMo Composites

力学性能测试表明，该材料在室温下具有高达1250 MPa的压缩屈服强度，且在600°C以下强度保持稳定。蠕变测试揭示了强烈的温度与应力依赖性。在700°C及较高应力下，材料表现出幂律蠕变特征，且蠕变指数较高，表明位错滑移是主导机制。而在800–900°C及较低应力下，蠕变机制发生转变，变形变得不均匀，并在垂直胞界处形成孔隙，此时位错攀移成为主导。这种转变与AM制造引入的高密度胞界密切相关。

3.3 Deformation Structures after Creep at 700°C

700°C高应力蠕变后，变形结构高度均匀。TEM分析发现，位错活动主要集中在界面处。在NiAl/CrMo_ss界面处，预存在的位错网络通过“编织反应”(knitting reactions)促进了位错的发射和吸收，使得位错能够切入并剪切CrMo_ss增强相。这种界面介导的位错运动机制，使得材料在700°C下表现出异常高的蠕变强度。

3.4 Deformation Structures after Creep at 900°C

当温度升至900°C，变形机制发生质变。变形高度集中在垂直胞界处，导致严重的局部应变和孔隙形成。位错分析显示，此时基体中的位错主要是<001>型，且通过攀移机制绕过CrMo_ss增强相，而非直接剪切。这种向扩散控制的攀移机制的转变，解释了材料在高温下蠕变性能的恶化。

结论与讨论

增材制造NiAl-CrMo复合材料通过PBF-EB工艺实现了极高的界面和胞界密度，这对其蠕变行为产生了双重影响。在700°C左右的中温区，高密度界面通过促进界面位错网络的编织反应，有效阻碍了位错运动，赋予了材料卓越的蠕变强度。然而，在900°C以上的高温区，这些高密度界面（特别是垂直胞界）成为了快速扩散通道，促进了位错攀移和空洞形核，导致蠕变抗力下降。因此，该材料在中温区（如700°C）展现出巨大的应用潜力，但其高温性能受限于扩散控制的变形机制。这项研究为通过AM工艺设计界面结构来优化高温合金的蠕变性能提供了重要的机理理解和实验依据。