中科院金属所《Acta Materialia》化学和变形缺陷在镍基高温合金中TCP相析出的作用机制

导读：拓扑密堆积（TCP）相通常在镍基高温合金中形成，在使用过程中具有高难熔元素，它们不利于高温合金的高温性能。本文研究了镍基单晶中的TCP相析出。在热机械疲劳变形下添加或不添加 Ru 的高温合金。观察到不同{111}平面上的变形孪晶相互交叉并形成大量高角度边界。这些大角度晶界的结构与拓扑密堆积的σ相高度相似，晶界富含Re、Ru、Co和Cr，为σ相的形成提供了结构起源和组成元素。Ru在TCP相和基体之间强烈偏析为半共格和非共格界面，这降低了界面能并导致TCP相析出物形态发生显著变化。这些结果提供了对晶格缺陷影响的洞察力和共同演化化学在高温合金中TCP相的形成，并阐明一般合金中的不均匀沉淀。

镍基单晶高温合金由于其优异的高温力学性能被广泛用于涡轮发动机叶片。镍基高温合金的高温强度很大程度上取决于难熔元素，尤其是Re，作为有效的固溶强化剂，这也显着提高了高温合金的抗蠕变性。然而，Re 添加提高了高温合金在长期高温暴露后形成脆性和有害拓扑密堆积 (TCP) 相的敏感性。使用期间的 TCP 相沉淀会耗尽基体中的强化元素，从而降低对合金的强化效果。更关键的是，TCP 相析出物会分层，从而成为断裂的起始点。TCP 相是金属间化合物富含Cr、Co、W、Mo、Re等过渡金属。由于其复杂的晶体结构，在镍基高温合金中形成了多种 TCP 相。最常见的是 σ、μ 和 P 相。

对长期相稳定性的需求导致在最新一代镍基高温合金中添加 Ru，因为发现添加 Ru 可有效抑制 TCP 相的形成。已经为 Ru 效应提出了几种可能的机制，例如微结构中的反向元素分配、减少体积含量和 TCP/基质界面能的变化。然而，由于 TCP 相析出物在早期阶段非常小，并且会随着合金成分的变化而显着变化，因此非常需要了解 Ru 添加对 TCP 相成核的影响，特别是在高温合金的使用条件。特别是，热机械疲劳 (TMF) 是一种综合了应变和温度效应的复杂变形过程，被认为是最接近涡轮叶片实际使用条件的变形方法。

因此，TCP 相如何在工程材料的工作条件下成核和生长是一个深入研究的主题。在此，在 Ni 基单晶高温合金的热机械疲劳试验期间，在孪晶相交处观察到 σ 相的析出。透射电子显微镜(TEM) 揭示了化学和晶格缺陷对 σ 相形成的相互作用，尤其是像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM) 和原子分辨率能量色散 X 射线光谱 (EDS)。这些结果提供了对晶格缺陷和共演化化学对 TCP 相成核和生长的影响的洞察，也将有助于理解工程材料中第二相的非均匀成核。

基于此，中国科学院金属研究所杜奎教授团队研究发现，在镍基单晶高温合金的热机械疲劳变形过程中，约 40 小时后，孪晶相交处形成了大量 σ 相析出物。Σ9晶界在孪晶相交处形成，这些高角度晶界富含Re、Ru、Co和Cr，从而为σ相的形核提供了构成元素。同时，Σ9边界由结构单元 |E 1 E 1组成P|，与σ相的结构高度相似，因此它们也提供了成核的结构起源。溶质偏析和高角边界结构之间的相互作用促进了σ相的形核和生长。Ru显示偏析特别是TCP相和基体之间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导致沉淀物形态的显着变化。第四代合金中的多面体TCP相有效地避免了应力集中，有助于提高镍基单晶高温合金的热机械疲劳性能。

相关研究成果以题“Interplay of chemistry and deformation-induced defects on facilitating topologically-close-packed phase precipitation in nickel-base superalloys”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

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