近期，西北工业大学刘林教授研究团队利用微旷科技显微原位CT技术系统研究了第三代镍基单晶高温合金薄壁试样在1100℃下的高温拉伸行为，该研究成果被发表在一区期刊《Journal of Alloys and Compounds》，第一作者为西北工业大学博士生许瀚元，通讯作者为西北工业大学刘林教授、黄太文副教授。

论文标题: “In-situ μCT 3D visualization on micropores of thin-walled casting using a novel 3rd-generation nickel-based single crystal superalloy under 1100 ◦C tensile loading”（利用原位CT对1100℃拉伸载荷下新型第三代镍基单晶高温合金薄壁铸件微孔的三维可视化分析）

随着航空技术的进步，高温合金薄壁结构在现代航空发动机的涡轮叶片中得到了越来越广泛的应用。然而，超薄截面的力学可靠性仍是一项关键挑战。本研究系统地探究了第三代镍基单晶高温合金薄壁试样在1100℃下的高温拉伸行为。通过集成薄壁设计与原位显微CT成像技术，实现了拉伸变形过程中枝晶结构和微孔演变的实时三维可视化。结果表明，在拉伸的初始阶段、弹性阶段、塑性阶段及断裂阶段，微孔均会逐步聚集并扩张。当壁厚从1.2 mm减至0.3 mm时，拉伸强度下降了13.7%。这些研究发现为优化在极端服役条件下运行的先进航空发动机薄壁涡轮叶片的设计和性能提供了重要参考。

本研究中，试验材料为第三代镍基单晶高温合金（名义成分为 5Al、12Co、4Cr、2Mo、5Re、7Ta、6W，余量为Ni），加工成壁厚0.3、0.5、0.9和1.2 mm的薄壁试样。用于原位CT试验的拉伸试样标距长度为22 mm、宽度为8 mm，如图1所示。

图1. 拉伸试样示意图(mm)。

利用微旷科技自主研发的显微原位CT设备，观察和重构了试样内部的孔隙形貌。将试样置于机械控制系统内，上下夹具同时旋转360°以获取XY、YZ和ZX平面的切片图像，如图2所示。收集切片后，使用3D可视化软件生成3D模型，为孔隙研究做准备。随后，使用微旷科技自主研发的WK-XFunct系列热力耦合多功能原位台进行1100℃原位拉伸试验，试验在氩气保护气氛中进行，加载速率为1 µm/s。对于1.2 mm厚的试样，在四个关键阶段（初始、弹性、塑性和断裂）进行了显微CT扫描。

图2.原位显微CT拉伸试验平台。

图3展示了四种不同壁厚（0.3 mm至1.2 mm）试样在1100℃高温拉伸试验下的拉伸工程应力-应变曲线和拉伸强度值。如图3(a)所示，壁厚对实验合金的拉伸性能有显著影响。1.2 mm样品的拉伸强度约399.67 MPa，0.9 mm和0.5 mm试样的拉伸强度则分别降至360.21 MPa和348.92 MPa，这表明当壁厚减小到1 mm以下时，拉伸强度会下降约10%。然而，当试样的壁厚减小到0.3 mm时，如图 3(b)所示，在1100℃高温拉伸测试中显示出相对较低的拉伸强度（344.83 MPa）。与 1.2 mm试样相比，拉伸强度降低了13.7%，显示出明显的薄壁效应。伸长率与拉伸强度的变化趋势相同，表明强度和延展性随着壁厚的减小而下降。这些发现表明，超薄结构虽然有利于减轻重量和提高冷却效率，但因其可能导致力学可靠性下降，必须进行审慎评估。

图3. 1100°C时不同壁厚的拉伸曲线(a)和拉伸强度(b)。

图4展示了1.2 mm试样在1100℃原位拉伸试验中四个关键阶段（初始阶段、弹性阶段、塑性阶段和断裂阶段）的微孔演变情况。很明显，在这四个阶段中，微孔持续合并和生长，其尺寸和数量均显著增加。具体而言，小于10 μm的微孔比例从初始阶段的约70%稳步下降到弹性阶段的60%，在塑性阶段进一步下降到50%，最终在断裂阶段降至0。相反，在整个加载过程中，大于10 μm的微孔数量和体积均大幅增加。这一现象表明，较小的微孔通过聚结和塑性应变累积过程成为较大微孔的前身。从孤立的小微孔到相互连接的大孔隙的转变，在推动裂纹扩展和最终试样失效中起着关键作用。

图4. 1100℃下的原位拉伸曲线(a)和显微CT测量的微孔三维特征和1.2 mm壁厚样品中微孔直径的分布，包括初始(b)、弹性(c)、塑性(d)和断裂(e)阶段。

图5展示了与不同壁厚相关的两种主要失效机制。当孔隙长大至临界尺寸并与相邻微孔相连时，会促进裂纹网络的形成。在较厚的试件中，微孔的演化相对缓慢，且其较强的变形能力会延缓裂纹的形核与扩展。相反，在超薄试样中，有限的材料体积以及预先存在的微孔周围的局部应力集中会显著加速损伤演变，导致更早失效。与较厚的试样相比，较薄的试样更容易因微孔的生长和聚结而产生贯穿壁厚的裂纹。

图5. 两种不同壁厚试样的拉伸断裂机理示意图。