Acta Mater.：鎳基高溫合金界面位錯網絡的再偏析

Materials_1219 5年前 (2018-05-22) 6007瀏覽

【引言】

錸（Re）是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強度的元素。但是，并沒有得到廣大研究者的認同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機的，而是以納米團簇的形式出現，因此障礙位錯運動。與此同時，一些研究人員聲稱，無法通過使用三維（3D）原子探針斷層掃描（APT）或擴展的X射線吸收精細結構光譜找到高溫合金中的Re團簇。最近，在單晶高溫合金的界面位錯核心處，發現了Re偏析，伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動，從而提高超級合金的抗蠕變性。但是，在Ni基高溫合金中，Re原子的空間分布和“Re效應”的機制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，中國浙江大學張澤院士團隊的李吉學教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen合作，采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了鎳基單晶高溫合金中錸（Re）的分布。發現Re原子在界面位錯核心附近的拉應力區域分離，形成“Cottrell大氣”，偏析過程由位錯管擴散促進。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）應變研究表明，沿相界分布Re的位錯網絡充當了機械壁，有效地阻止了位錯運動和裂紋擴展。同時，Re分離的程度可以通過熱處理來調節。理論分析表明，這種顯著的合金化效應主要來源于Re局部組分應變與位錯應變之間的相互作用，導致界面位錯網絡顯著穩定。此結果為理解鎳基高溫合金力學性能中Re效應的起源提供了新的視角，有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設計高性能的不含Re高溫合金。相關成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發表在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖 1 鎳基單晶高溫合金的初始結構圖

（a，b）時效前后的典型顯微結構圖；

（c）是（a）中三角區域的元素分布圖；

（d）Na2V6O16?xH2O的高分辨晶格條紋相；

（d）是（b）中用虛線矩形描繪的界面位錯網絡的放大圖像（左），沿[001]方向觀察，對應的三維位錯層析圖（右）。

圖 2 界面位錯網絡的EDS能譜圖

（a）垂直于位錯網絡的EDS能譜圖；

（b-c）含和不含位錯界面的γ/γ’相界面的HAADF-STEM圖像。

圖 3 原子尺度下界面位錯核心結構的STEM和化學分析圖

（a）樣品A界面位錯核心結構的高分辨HAADF-STEM圖像；

（b）是（a）位錯核心γ相Re，Cr，Co和Mo的EDS圖。

圖 4 ?樣品A-F中50個界面核心Re含量的統計圖

（a）樣品A中Re的統計圖；

（b）樣品B中Re的統計圖；

（c）樣品C中Re的統計圖；

（d）樣品D中Re的統計圖；

（e）樣品E中Re的統計圖；

（f）樣品F中Re的統計圖。

圖 5 ?原位拉伸時，樣品A和C的位錯行為比較圖

（a）原位拉伸樣品A的STEM圖像；

（b）原位拉伸樣品B的STEM圖像；

（c）是（a）的放大圖和Cr的能譜圖；

（d）是（b）的放大圖和Cr的能譜圖。

圖 6 ?微拉伸樣品A和C的SEM圖像

（a，b）樣品A和C的裂紋圖像；

（c，d）樣品A和C的滑移圖像。

圖 7 ?γ/γ’相界面中Re原子偏析模擬圖

（a）界面位錯結構的示意圖；

（b）γ相中Re原子的原始分布圖；

（c）通過蒙特卡羅模擬優化圖。

圖 8 Re對位錯核心寬度的影響

（a）位錯核心不同Re含量的分布圖；

（b）基于Peierls-Nabarro模型的tan-1函數的錯合度模擬圖。

圖 9?純粹界面位錯和含Re界面在不同應力狀態下的比較圖

（a）含和不含Re位錯核心界面的模擬圖；

（b）小框架中應力分量σxx，σyy，σxy和流體靜應力σH圖。

【小結】

本文通過亞埃解析STEM和EDS技術，在單晶高溫合金樣品中定量研究界面位錯網絡處的Re偏析。進行原位TEM和SEM拉伸試驗，揭示Re原子和界面位錯核之間的相互作用對γ相中的位錯移動的影響。采用分子動力學和Monte Carlo方法相結合，探測Re原子對γ/γ'界面性質的影響。

主要結論可概括如下：

（1）在高溫下，Re原子在拉伸區域的界面位錯核心處發生偏析。由于擴散效應，Re的擴散系數顯著增加，有助于Re沿著位錯線偏析。

（2）降低冷卻速度是提高界面位錯核心Re濃度的一種快速有效的方法。在γ/γ'界面遷移過程中，再分離會隨位錯移動。

（3）再分離增強了γ/γ'界面。在位錯網絡上含有更高濃度的Re的界面可，以更有效地阻止位錯的剪切。

（4）添加Re后，位錯能量平均每nm下降152.7 eV。然而，核心的Re偏析對位錯的核心結構沒有顯著影響。Re在相界面力學性能中的主要作用是界面位錯網絡的穩定化，這可能是高溫合金中Re效應的起源。

此結果不僅有助于解釋Ni基高溫合金中重要的“Re效應”，而且為改善Ni基高溫合金的蠕變性能提供了新的視角。

文獻鏈接：Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy（Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat. 2018.05.025）。

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