钛铝中位错偶的形成演化及相关塑性过程基础研究

The third generation gamma-TiAl alloy with higher fatigue strength and creep resistance must be developed to meet the better performance required by the new generation aero-engine. It is therefore necessary to understand and control the fundamental plastic issues and pivotal plastic processes that determine the performance of gamma-TiAl alloys. The dislocation dipole is a typical defect during the deformation of material. A large number of experiments indicate that the fatigue and creep behaviors of gamma-TiAl alloys are relevant to the formation and evolution of dislocation dipoles, especially the point defect-related processes. However, the lack of atomic scale information results in incomprehensive understanding on the hardening and recovery processes, as well as the development of dislocation microstructure. This brings difficulties to the model establishment and influences the prediction and evaluation of the in-service performance. Based on multiscale simulations with the state-of-the-art saddle point search techniques and high-throughput simulations, the present project intends to elucidate theoretically the formation, evolution and interaction of dipolar dislocations during the plastic deformation of gamma-TiAl with experimental validation using high resolution transmission electron microscopy, in order to reveal the role of dislocation dipoles in plastic processes and to contribute to the design and improvement of gamma-TiAl alloys.

新一代航空发动机性能要求更高，需要发展疲劳强度和蠕变抗力更高的第三代gamma-TiAl合金，因此必须认清和把握决定其性能的一些基础塑性问题和关键塑性过程。位错偶是材料形变过程中的一种典型缺陷，大量实验表明gamma-TiAl合金的疲劳和蠕变行为与位错偶的形成演化，尤其是点缺陷相关过程有关，然而原子尺度信息的缺失导致对硬化和回复等基本过程以及位错微结构演化的理解不够全面，给相关模型建立带来困难，影响使役性能的评价预测。基于多尺度模拟并利用最新的鞍点搜索技术和高通量模拟技术，本项目拟从理论上阐明gamma-TiAl中偶极型位错在塑性变形中的形成演化和交互作用机理，同时借助高分辨透射电镜等原子尺度表征技术进行验证，从而揭示位错偶在相关塑性过程发挥的作用，以期为gamma-TiAl合金设计和性能改善提供支持。

新一代航空发动机性能要求更高，需要发展疲劳强度和蠕变抗力更高的第三代TiAl合金，因此必须认清和把握决定其性能的一些基础塑性问题和关键塑性过程。位错偶是材料形变过程中的一种典型缺陷，大量实验表明TiAl合金的疲劳和蠕变行为与位错偶的形成演化，尤其是点缺陷相关过程有关，然而原子尺度信息的缺失导致对硬化和回复等基本过程以及位错微结构演化的理解不够全面，给相关模型建立带来困难，影响使役性能的评价预测。本项目基于多尺度模拟并利用最新的鞍点搜索技术和高通量模拟技术，从理论上阐明TiAl中偶极型位错在塑性变形中的形成演化和交互作用机理，同时借助高分辨透射电镜等原子尺度表征技术进行验证，从而揭示位错偶在相关塑性过程发挥的作用，为TiAl合金设计和性能改善提供支持。.通过新型原子间势的构造和长时间及高通量原子模拟软件的开发研究，实现了原子模拟百量级的高通量计算，通过对钛铝中位错反应产物的长时间演化模拟，发现特定取向的窄位错偶具有长时间稳定性，模拟结果与高分辨电镜结果高度一致，稳定的位错偶结构导致强化和背应力提升，从而影响疲劳蠕变行为，导致应力应变本构关系中绝热和非绝热部分的修正。原子模拟表明两相片层界面存在由共格向半共格转变的临界厚度，共格界面强度高塑性差而半共格界面强度低塑性好，两种界面在外加载下的裂纹形核扩展模式不同；相场动力学模拟表明片层厚度与成分有关，通过调控Al含量可获得尺寸最小的片层结构，模拟结果与实验一致；相关结果表明应控制片层组织厚度和分布以获得不同类型界面，从而实现综合性能最优。.在项目执行期内，项目负责人王皞入选辽宁省百千万人才工程（千层次）和沈阳市高层次人才（拔尖人才）；骨干柏春光入选沈阳市高层次人才（拔尖人才），并晋升为研究员；骨干周刚晋升为副研究员。项目研究结果共发表SCI论文12篇，专著章节1章，获得软件著作权登记1项；国际会议特邀报告3次。培养博士研究生3名、硕士研究生2名。