鎳基單晶高溫合金中相界面的電子顯微學(xué)與第一性原理研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的關(guān)鍵材料。隨著鎳基單晶高溫合金的開發(fā)，通過(guò)添加大量的難熔元素來(lái)提高高溫合金強(qiáng)度。然而，由于合金呈現(xiàn)很高的過(guò)飽和度，增大了拓?fù)涿芘畔啵═CP相）的析出傾向。TCP相的析出不僅消耗了大量的固溶強(qiáng)化元素，往往也作為裂紋的發(fā)源地和裂紋迅速擴(kuò)展的通道，導(dǎo)致單晶高溫合金的持久壽命降低，塑性和韌性明顯惡化，嚴(yán)重地影響了合金的高溫力學(xué)性能。第四代鎳基單晶高溫合金中加入了鉑族元素

2、Ru，能明顯抑制TCP相的析出，進(jìn)而提高單晶合金的高溫蠕變性能，但其作用機(jī)制尚不清楚。有關(guān)Ru元素對(duì)鎳基單晶高溫合金中基體與TCP相界面結(jié)構(gòu)及其合金元素賦存狀態(tài)的研究還非常有限。本文采用電子顯微學(xué)分析方法研究了鎳基單晶高溫合金蠕變斷裂之后γ/γ'界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及合金元素的分布行為，并探討了Ru元素對(duì)基體與TCP相界面結(jié)構(gòu)及合金元素分布行為的影響規(guī)律。通過(guò)第一性原理方法研究了合金元素在γ/γ'界面、γ'相和基體/TCP界面的分配行為及擇

3、優(yōu)占位傾向。
　　(1)1100℃/137MPa蠕變實(shí)驗(yàn)研究表明:合金元素在γ/γ'界面兩側(cè)的分布趨勢(shì)很明顯:Co、Re和Cr元素容易富集在γ相中，而Ni、Al、Ta和W元素較容易向γ'相中偏析。在γ/γ'界面形成的扭結(jié)結(jié)構(gòu)的尖端存在2-3nm的Re原子團(tuán)簇。蠕變過(guò)程中，這種扭結(jié)結(jié)構(gòu)的形成是由于γ/γ'界面附近的重金屬原子團(tuán)簇和界面位錯(cuò)芯部結(jié)構(gòu)的交互作用。γ相和γ'相以共格的臺(tái)階形式相結(jié)合。在高溫和外加應(yīng)力的作用下，γ'相發(fā)生筏排

4、化，γ/γ'相界面處形成了六角形和四邊形的位錯(cuò)網(wǎng)。
　　(2)1100℃/800h熱暴露測(cè)試研究表明:在不含Ru元素合金1中，TCP相呈細(xì)長(zhǎng)的針狀，基體/TCP相界面結(jié)構(gòu)呈不規(guī)律的高度不一的臺(tái)階狀;在含Ru元素合金2中，TCP相呈短棒狀，基體/TCP相界面結(jié)構(gòu)呈規(guī)律的兩個(gè)原子層高度的臺(tái)階狀。Ru元素的添加，改變了合金中其他合金元素在基體和TCP相間的分布行為，減少了TCP相的析出數(shù)量，也改變了基體/TCP相界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及TCP