近日，上海交通大学中子科学研究中心钟圣怡教授团队，通过构建三维中子衍射(3DND)技术方法，系统研究镍基单晶涡轮叶片中晶格应变与取向分布的协同演化规律，并结合 EBSD 等微观表征手段，深入揭示了枝晶群演变对亚结构应变与宏观各向异性的调控机制，阐明了单晶材料中残余应力与亚结构非均匀性的内在关联。
相关成果以《Substructural lattice strain and orientation distribution evolution in single-crystal turbine blades studied via 3D neutron diffraction》为题，发表于学术期刊 《Acta Materialia》。该论文第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院/巴黎卓越工程师学院联合培养博士研究生盛普聪，通讯作者为上海交大材料科学与工程学院/巴黎卓越工程师学院(双聘)钟圣怡教授。 该研究得到了国家重点研发计划项目的支持。
镍基单晶高温合金因消除晶界、具有优异的抗蠕变、抗疲劳与抗氧化性能，被广泛应用于航空发动机涡轮叶片等高温承载构件。然而，在定向凝固制造过程中，受热梯度、构件几何复杂性与元素偏析等多因素作用，单晶叶片内部不可避免地会形成残余应力与小角度晶界（LAGBs）等缺陷。这些缺陷会加剧后续热处理过程中的再结晶倾向，并在服役条件下成为疲劳裂纹萌生与氧化损伤的优先位点，严重威胁构件的服役可靠性。研究表明，残余应力与亚结构取向偏差之间存在相关性，捕捉二者的协同演化对于理解单晶叶片的缺陷形成机制至关重要。然而，传统的二维中子衍射仅能捕捉衍射晶面取向的单一角度自由度，无法同时重构完整取向分布与对应的晶格应变信息，这一局限长期制约中子衍射技术在单晶构件深度表征中的应用。
为解决上述难题，研究团队依托中国绵阳研究堆(CMRR)"河图"冷中子工程应力谱仪，建立三维中子衍射（3DND）技术方法 ，并以第二代单晶高温合金 DD6 涡轮叶片为研究对象，沿三个(200)晶面方向同步表征晶格应变与亚结构取向分布。通过构建三维衍射数据集，并对取向空间进行离散化与重构，研究团队实现了从宏观各向异性到枝晶群尺度亚结构晶格应变 εsub(ω,η)的定量解析。EBSD 对比实验进一步表明，3DND所揭示的亚结构应变，反映了定向凝固过程中具有微小取向偏差的枝晶群的局域应力状态。该工作建立了枝晶群取向演化、亚结构应变局域化与宏观各向异性响应之间的定量关联框架，为复杂单晶构件残余应力的系统评估提供了新的方法学基础。
图1 三维中子衍射(3DND)技术方法框架。(a)3DND 测量几何示意图，展示衍射光路及数据采集所涉及的各坐标系;(b) 3DND 数据分析流程，包括分解与重构两个阶段。
图2 沿定向凝固路径的取向分布演化。(a1)n1方向的取向分布表现出明显的亚结构演化特征。P1–P6 阶段出现次级取向强度峰，P6–P12阶段主峰进一步分裂，表明晶格倾斜驱动亚结构激活与分裂;(a2，a3)n2、n3方向的取向分布主要表现为整体均匀扩展,对应枝晶扭转引起的取向重分布。
图3 欧拉环旋转角度对单晶涡轮叶片晶格应变测量的影响。(a)沿凝固路径选取的十二个测量位置示意图;(b1–b3)分别为n1- n3方向ω扫描数据的叠加分布结果。背景颜色强度对应 P12 位置的取向平面。每一列纵向数据代表一次独立的中子衍射扫描，可提取相应的亚结构晶格应变εsub(ω)。
定量结果表明，在实测ω覆盖范围内，εsub(ω)的变化幅度可达4 × 10⁻³，说明单次 ω 扫描获得的晶格应变主要反映特定取向亚结构的局部状态，难以代表单晶整体平均应变。因此，解析单晶构件中子衍射数据时需考虑应变的角度依赖性，并通过充分的ω角覆盖捕捉宏观应变状态及亚结构引起的应变差异。
图4 亚结构晶格应变εsubω沿凝固路径的演化。(a1–a3)分别为n1-n3方向的取向分辨应变图，覆盖P1–P12十二个测量位置，其中每个网格单元对应离散的(ω,η)取向区间;(b1–b3)为红色箭头所示代表性区域的局部放大图。
结果表明，亚结构晶格应变与晶体取向演化密切耦合，并与取向分布的方向依赖性相对应。 n2和n3方向的应变分布具有较高的旋转对称性，取向中心附近应变接近零，外围区域则呈现镜像式拉压应变梯度，并逐渐向中心收敛。n1 方向的亚结构晶格应变表现出明显的非对称和非线性演化特征。P1–P6阶段，取向平面下部区域拉应变显著增加，而上部区域相对稳定;P6–P12 阶段，上部区域快速拉伸累积，下部区域则出现波动。
