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利用同步加速器X射线对Al-3.6 wt%Cu合金在高温蠕变过程中的孔洞形成和长大进行了原位纳米断层扫描研究。通过快速3D成像技术，追踪了单个孔洞的形核和体积增长，并研究了孔洞形状随应变的变化。
高温蠕变孔洞的形成是限制轻合金成形的重要因素。孔洞的形核与第二相颗粒、亚结构、晶界和三叉晶界处的应力集中有关，而孔洞的生长机制则包括扩散、塑性和超塑性。尽管已有大量理论研究探讨了孔洞的生长，但关于孔洞形核和早期生长阶段的实验研究却相对较少。
研究方法
欧洲同步辐射光源的Kumar博士等研究人员采用原位纳米断层扫描技术，结合 100 nm 像素尺寸和 7 s 扫描时间的同步加速器 X 射线，对 Al-3.6 wt% Cu 合金在高温蠕变过程中 (7.9 MPa, 698 K) 的孔洞形核和生长进行了实时观察和分析，以期深入理解孔洞形核和生长的微观机制。
研究亮点
研究意义
这项研究利用原位纳米断层扫描技术观察蠕变孔洞演化，为理解高温蠕变过程中的孔洞形核和生长机制提供了新的见解。
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图1. (a) 顶视图 (XY) 和 (b) 侧视图 (YZ) 的二维切片，来自 Al-Cu 样品在变形开始时的低分辨率体积数据，第二相颗粒用黑色表示，可以看到它们沿着晶界排列。此外，还指出了感兴趣区域，该区域在高分辨率扫描中进行了探测。两个切片彼此之间的位置用蓝线表示。(c) Al-Cu 样品在变形开始时的高分辨率 3D 渲染图，显示了第二相颗粒（绿色）和预先存在的孔洞（红色）。![]()
图2. Al-Cu样品随时间 (t，分钟) 和应变 (Ɛ) 变化时，孔洞 (红色) 沿第二相颗粒 (绿色) 生长的 3D 渲染视图。![]()
图3. (a) 模型得到的转变半径随样品变形时间的变化图。(b) Al-Cu 样品的实验转变半径与模型转变半径的对比图。红线是斜率为 1 的直线。转变半径指的是孔洞生长机制从扩散机制转变为塑性机制时的孔洞半径。
作者
这项工作的第一作者和通讯作者是来自欧洲同步辐射光源的Richi Kumar博士。R. Kumar, J. Villanova, P. Lhuissier, L. Salvo, In situ nanotomography study of creep cavities in Al-3.6-Cu alloy, Acta Materialia 166 (2019) 18-27. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.020
编辑点评
蠕变孔洞演化是导致高温合金过早失效和影响其长期蠕变寿命评估的关键因素，涉及高温合金蠕变的关键科学技术问题。利用原位纳米断层扫描技术，可以实时、三维地观察蠕变孔洞的演化，有助于深入理解蠕变孔洞演化机制，并建立和完善相关模型。然而，目前针对该问题的研究仍然较少，期待更多科研人员利用这项技术开展深入研究，共同推动该领域的进展！
编译：贺君敬 博士
