中科院金屬所《Acta Materialia》化學和變形缺陷在鎳基高溫合金中TCP相析出的作用機制

導讀：拓撲密堆積（TCP）相通常在鎳基高溫合金中形成，在使用過程中具有高難熔元素，它們不利于高溫合金的高溫性能。本文研究了鎳基單晶中的TCP相析出。在熱機械疲勞變形下添加或不添加 Ru 的高溫合金。觀察到不同{111}平面上的變形孿晶相互交叉并形成大量高角度邊界。這些大角度晶界的結構與拓撲密堆積的σ相高度相似，晶界富含Re、Ru、Co和Cr，為σ相的形成提供了結構起源和組成元素。Ru在TCP相和基體之間強烈偏析為半共格和非共格界面，這降低了界面能并導致TCP相析出物形態發生顯著變化。這些結果提供了對晶格缺陷影響的洞察力和共同演化化學在高溫合金中TCP相的形成，并闡明一般合金中的不均勻沉淀。

鎳基單晶高溫合金由于其優異的高溫力學性能被廣泛用于渦輪發動機葉片。鎳基高溫合金的高溫強度很大程度上取決于難熔元素，尤其是Re，作為有效的固溶強化劑，這也顯著提高了高溫合金的抗蠕變性。然而，Re 添加提高了高溫合金在長期高溫暴露后形成脆性和有害拓撲密堆積 (TCP) 相的敏感性。使用期間的 TCP 相沉淀會耗盡基體中的強化元素，從而降低對合金的強化效果。更關鍵的是，TCP 相析出物會分層，從而成為斷裂的起始點。TCP 相是金屬間化合物富含Cr、Co、W、Mo、Re等過渡金屬。由于其復雜的晶體結構，在鎳基高溫合金中形成了多種 TCP 相。最常見的是 σ、μ 和 P 相。

對長期相穩定性的需求導致在最新一代鎳基高溫合金中添加 Ru，因為發現添加 Ru 可有效抑制 TCP 相的形成。已經為 Ru 效應提出了幾種可能的機制，例如微結構中的反向元素分配、減少體積含量和 TCP/基質界面能的變化。然而，由于 TCP 相析出物在早期階段非常小，并且會隨著合金成分的變化而顯著變化，因此非常需要了解 Ru 添加對 TCP 相成核的影響，特別是在高溫合金的使用條件。特別是，熱機械疲勞 (TMF) 是一種綜合了應變和溫度效應的復雜變形過程，被認為是最接近渦輪葉片實際使用條件的變形方法。

因此，TCP 相如何在工程材料的工作條件下成核和生長是一個深入研究的主題。在此，在 Ni 基單晶高溫合金的熱機械疲勞試驗期間，在孿晶相交處觀察到 σ 相的析出。透射電子顯微鏡(TEM) 揭示了化學和晶格缺陷對 σ 相形成的相互作用，尤其是像差校正的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM) 和原子分辨率能量色散 X 射線光譜 (EDS)。這些結果提供了對晶格缺陷和共演化化學對 TCP 相成核和生長的影響的洞察，也將有助于理解工程材料中第二相的非均勻成核。

基于此，中國科學院金屬研究所杜奎教授團隊研究發現，在鎳基單晶高溫合金的熱機械疲勞變形過程中，約 40 小時后，孿晶相交處形成了大量 σ 相析出物。Σ9晶界在孿晶相交處形成，這些高角度晶界富含Re、Ru、Co和Cr，從而為σ相的形核提供了構成元素。同時，Σ9邊界由結構單元 |E 1 E 1組成P|，與σ相的結構高度相似，因此它們也提供了成核的結構起源。溶質偏析和高角邊界結構之間的相互作用促進了σ相的形核和生長。Ru顯示偏析特別是TCP相和基體之間的半共格和非共格界面，因此Ru偏析降低了那里的界面能并導致沉淀物形態的顯著變化。第四代合金中的多面體TCP相有效地避免了應力集中，有助于提高鎳基單晶高溫合金的熱機械疲勞性能。

相關研究成果以題“Interplay of chemistry and deformation-induced defects on facilitating topologically-close-packed phase precipitation in nickel-base superalloys”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

本文來自微信公眾號“材料學網”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。