显微孔洞对镍基单晶高温合金氢扩散行为和氢损伤机制的影响

The hydrogen environment embrittlenment (HEE) in Ni-base single crystal superalloy is an important problem when it is used as turbine blade in hydrogen-fueled engines. The reason of HEE in single crystal superalloy is that hydrogen enhances dislocation slip at a much early strain, which leads to localized plastic deformation. However, it is still not clear why and how hydrogen enhances dislocation slip. Moreover, the effect of numerous microvoid on the HEE in single crystal superalloy is also a significant problem. In present project, we will illustrate the effect of microvoid on the diffusion behavior of hydrogen by comparison the diffusivity and activation energy of hydrogen in single crystal superalloy specimens with different density of microvoid. Furthermore, the mechanism of hydrogen-enhanced dislocation slip and the effects of microvoid associated with hydrogen on the damage mechanism of low cycle fatigue will be found out by comparing the low cycle fatigue of hydrogen-charged and uncharged specimens of different microvoid density. In all, this project aims to get further information about the hydrogen environment embrittlenment (HEE) in Ni-base single crystal superalloy used in hydrogen-fueled engine.

用于氢燃料发动机的涡轮叶片材料的镍基单晶高温合金面临着氢脆的问题，产生氢脆的原因是氢促使变形初期的位错滑移，并产生局部塑性变形。目前，关于氢促使位错滑移的机制还不清楚，而且单晶高温合金中数量众多的显微孔洞对合金抗氢性能的影响是不可忽略的问题。本申请拟通过对比两种孔洞含量合金的氢扩散系数和扩散激活能，研究孔洞对单晶高温合金氢扩散行为的影响；通过对比两种孔洞含量合金充氢和未充氢样品的室温低周疲劳性能，确定氢促使位错滑移的机制，以及氢与显微孔洞相互作用对单晶高温合金低周疲劳损伤机制的影响。本项目的完成有利于深入认识单晶高温合金中的氢损伤机制。

由于去除了晶界以及加入了更多的固溶强化元素，使得单晶高温合金具有更加优异的高温力学性能，并被广泛应用在燃气涡轮叶片材料。同时，单晶高温合金也被考虑代替已经应用的定向高温合金，用在氢燃料发动机的涡轮泵叶片材料，以提高发动机的耐久性和安全性。然而，单晶高温合金在临氢环境下使用存在性能退化的现象，即氢脆现象。目前，单晶高温合金氢脆的研究工作还存在一些争议。.首先是氢在单晶高温合金中的偏析位置有争议。偏析位置的主要观点有三种：基体（γ相）、Ni3(Al, Ti, Ta)沉淀相（γ′相）、γ/γ′相界面。此部分研究工作借助于上海同步辐射光源对充氢前后基体和γ′相的晶格常数进行精确测定，结合第一原理计算结果确定有71%的氢原子偏聚在基体内部。通过高分辨透射X射线三维成像技术对合金内显微孔洞体积分数的精确测得，得到约27%的氢原子偏聚在孔洞内部。.其次是单晶高温合金氢脆机制存在争议。早期的报道多采用氢促进局部塑性变形机制（即HELP机制）来解释单晶合金的氢脆现象。然而，最近的研究发现氢是阻碍位错运动的，说明HELP机制是不成立的。通过对比未充氢和充氢试样室温低周疲劳性能，以及断口组织和位错形貌等，结合三维原子探针（3DAP）结果，从而确定单晶合金氢脆的机制。结果表明，充氢后合金低周疲劳寿命降低40%以上。未充氢试样低周疲劳裂纹起始于两个滑移系的交线位置，并沿着两个滑移系以锯齿形状扩展。位错形貌显示未充氢试样疲劳变形以位错对剪切γ′相为主。充氢试样疲劳裂纹起始于γ′相，并以孔洞的粗化长大的形式扩展。位错形貌显示变形以螺位错在基体内交滑移为主，领头螺位错剪切进入γ′相后（3DAP显示变形位错内有氢的存在，表明氢随位错进入了γ′相），同样以交滑移的方式在γ′相中运动，并被锁住，造成严重的加工硬化，从而造成试样脆性断裂。通过对比高速冷却法和液态金属冷却法制备合金充氢前后的低周疲劳寿命，发现改变工艺对改善合金抗氢脆性能没有帮助。