鎳基單晶高溫合金中相界面的電子顯微學與第一性原理研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進航空發(fā)動機和燃氣輪機葉片的關鍵材料。隨著鎳基單晶高溫合金的開發(fā)，通過添加大量的難熔元素來提高高溫合金強度。然而，由于合金呈現(xiàn)很高的過飽和度，增大了拓撲密排相（TCP相）的析出傾向。TCP相的析出不僅消耗了大量的固溶強化元素，往往也作為裂紋的發(fā)源地和裂紋迅速擴展的通道，導致單晶高溫合金的持久壽命降低，塑性和韌性明顯惡化，嚴重地影響了合金的高溫力學性能。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，進而提高單晶合金的高溫蠕變性能，但其作用機制尚不清楚。有關Ru元素對鎳基單晶高溫合金中基體與TCP相界面結構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'界面的精細結構以及合金元素的分布行為，并探討了Ru元素對基體與TCP相界面結構及合金元素分布行為的影響規(guī)律。通過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蠕變實驗研究表明:合金元素在γ/γ'界面兩側的分布趨勢很明顯: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'界面形成的扭結結構的尖端存在2-3nm的Re原子團簇。蠕變過程中，這種扭結結構的形成是由于γ/γ'界面附近的重金屬原子團簇和界面位錯芯部結構的交互作用。γ相和γ'相以共格的臺階形式相結合。在高溫和外加應力的作用下，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網。
　　(2)1100℃/800h熱暴露測試研究表明:在不含Ru元素合金1中，TCP相呈細長的針狀，基體/TCP相界面結構呈不規(guī)律的高度不一的臺階狀;在含Ru元素合金2中，TCP相呈短棒狀，基體/TCP相界面結構呈規(guī)律的兩個原子層高度的臺階狀。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相的析出數量，也改變了基體/TCP相界面的精細結構以及TCP