镍基单晶高温合金制作先进航空发动机核心部件高压涡轮叶片的首选资料。镍基单晶高温合金在制备和加工中发生的剩余应力对后续执役过程中微观安排的演化、力学性能的退化具有直接而重要的影响。例如，已经有研讨发现在热露出或蠕变变形的初期，枝晶间与枝晶干处γʹ共格沉积强化相的筏化现象表现出明显的不同步特色，这很或许与剩余应力的空间散布不均匀，并且这个剩余应力既包含γ/γʹ两相之间的共格应力，也包含枝晶规范下的应力。因而，为了更好地了解镍基单晶高温合金的变形机理、优化合金规划，就需要对多规范应力的散布进行高精度、高空间散布的丈量。

  可是，作为公认的最精确的应力丈量办法，X射线衍射技能在镍基单晶高温合金多规范应力散布的表征方面遇到了巨大应战：运用衍射技能丈量应力的条件是有必要了解到合金资料无应力状态下的晶格常数d0；可是，镍基高温合金等共格沉积强化合金中，两相之间一直存在共格应力，因而没有办法取得每种物相的d0。并且，更为费事的是，镍基单晶高温合金中合金元素品种多、含量高，尤其是W、Re等元素由于分散速率慢而散布不均匀（即便经过规范热处理也无法消除偏析），从而导致d0非均匀散布、处处不同且严峻依赖于合金资料的制备条件、热前史，难以取得。即便关于同一种合金，改动制备办法和热处理准则甚至有或许改动两相晶格错配度的正负号，从而导致拉、压应力的倒置，对力学性能发生巨大影响。

  为表征镍基单晶高温合金多规范应力散布，西安交通大学和北京科技大学研讨人员协作开发了一种具有亚微米空间分辨率的同步辐射微束衍射办法，克服了d0不知道导致的应力无法精确丈量难题，并以镍基单晶高温合金为例，完成了非均匀共格沉积强化合金中微观应力空间散布的表征。

  在本工作中，作者运用同步辐射微束线站的单色光能量扫描技能，对镍基单晶高温合金中γ/γʹ相的晶格错配度进行了定量表征并以此为根底核算了微米规范下共格应力的空间散布。为描绘共格应力在亚枝晶规范上的影响，作者依据镍基单晶高温合金中γʹ分出相与γ相通道的周期性安排特征，运用等效缩短描绘了共格应力在分出相规范上形成的资料形变，从而运用有限元模仿取得了非均匀散布的共格应力在亚枝晶规范上形成的应力。

  图1.非均匀微观应力的表征办法。镍基单晶高温合金中存在元素偏析导致的树枝晶结构(a)，其间枝晶间（ID）部分没用共格应力（b）与其所引进的晶格畸变（c），而一次枝晶干（PDA）和二次枝晶干中（SDA）中，共格界面的晶格错配引进了共格应力（d）与晶格畸变（e）。经过同步辐射微束衍射能量扫描对晶格畸变的表征（f），可以得到亚微米空间分辨率的共格应力散布。依据共格应力界说的等效缩短，可以正常的运用有限元模仿手法取得不均总共格应力在亚枝晶规范上引进的应力（g）。

  研讨之后发现，在二代镍基单晶高温合金CMSX-4中，即便经过了规范热处理，元素的偏析（尤其是Re元素）仍然形成了共格应力的明显不均匀散布，并且这样的非均匀共格应力在二次枝晶干引进了沿枝晶成长方向的单轴拉应力，并在枝晶间区域内形成了平衡该拉应力的平面压应力。

  图2.CMSX-4镍基单晶高温合金中不均一散布的错配度与共格应力。（a）依据Re的偏析程度区分一次枝晶干（PDA）、二次枝晶干（SDA）和枝晶间（ID）区域。晶格错配度（b）、γ相通道内的共格应力（c）和共格应力形成的等效缩短（d）枝晶不均一散布。

  经过比对有限元模仿与同步辐射微束劳厄衍射丈量的偏应变张量散布，验证了模仿成果的可靠性，一起也证明亚枝晶规范的应力的确来源于非均匀散布的共格应力。

  图3.沿[100]、[010]和[001]方向的应力（a）与偏应变散布（b、c），灰色虚线分割了一次枝晶干（PDA）、二次枝晶干（SDA）和枝晶间（ID）区域。比照有限元模仿（b）和同步辐射劳厄微束衍射丈量的（c）偏应变散布可以查验有限元模仿的正确性。

  经过本研讨所树立的办法，可以在d0不知道的情况下，经过表征晶格错配度，一起核算得到共格应力与亚枝晶规范微观应力的空间散布；并且该办法不只适用于镍基高温合金，也可以推行到其他共格沉积强化合金的研讨中。近年研讨发现，经过成分规划与工艺优化，可以制备出合金元素散布、分出相描摹、晶格错配度不均匀的共格沉积强化合金资料，这类合金有望具有无与伦比的力学性能。而本研讨中所树立的多规范应力散布表征办法有望为这一类合金的规划与力学性能研讨供给强有力支撑。

  相关研讨成果以“Mapping stress heterogeneity in single-crystal superalloys by novel submicron-resolved X-ray diffraction”为题发表于Materials Research Letters。论文的榜首作者为西安交通大学资料学院博士研讨生寇嘉伟，通讯作者为西安交通大学陈凯教授、北京科技大学王沿东教授，协作作者包含西安交大航天学院博士生黄少琪、翟崇朴教授，台湾光源蒋庆友博士，上海光源王思胜副研讨员，中科院运用物理所李志军研讨员。