Gamma-prime筏化与单晶高温合金性能退化的内在关联

Gamma-prime rafting is one of the main reasons that lead to degradation of the properties of Ni-based single crystal superalloys. To have an in-depth understanding of the intrinsic correlation between gamma-prime rafting and degradation of mechanical properties, the influence of dislocation interactions during gamma-prime rafting, interaction between dislocation and gamma/gamma-prime interface and the structural evolution of gamma/gamma-prime interface on mechanical properties of superalloys were investigated according to in-situ analysis of gamma-prime rafting during tensile test and the evolution of dislocation configurations of gamma/gamma-prime interface by means of in-situ TEM. Combined with phase-field simulation, the comparative study of site preference and distribution of the main strengthening elements in the gamma/gamma-prime interface and interfacial structure before and after tensile test was done in order to explore the effect of lattice mismatch, the crystal orientation and stress field on gamma-prime rafting and clarify the microscopic mechanism of gamma-prime rafting. On these bases, the intrinsic correlation between degradation of mechanical properties of superalloys and gamma-prime rafting resulted from dislocation motion and atomic directed diffusion was revealed through the microstructural simulation of gamma-prime rafting during creep, offering a theoretical basis for the microstructural design of new generation single crystal superalloys.

Gamma-prime筏化是导致单晶合金性能退化的主要原因之一。为深入理解Gamma-prime筏化与合金性能退化的内在关联，本项目拟借助TEM技术，基于原位拉伸过程中Gamma-prime形筏、界面位错组态演变过程原位分析，探究Gamma-prime筏化过程中位错交互作用、位错与界面交互作用及界面结构演化对合金力学性能的影响；结合相场模拟，通过蠕变试验前后元素在Gamma/Gamma-prime界面占位、分布及界面结构的对比研究，探明晶格错配度、晶体取向和应力场对Gamma-prime筏化行为的影响，并提出Gamma-prime形筏的位错判断准则；在此基础上，通过Gamma-prime筏化过程的组织模拟，明确单晶合金服役过程中位错运动与原子定向扩散导致的Gamma-prime形筏与合金力学性能退化的内在关联，为新一代单晶合金微结构设计提供理论依据。

高温合金由于具有优异的高温力学性能和抗氧化腐蚀性能，广泛用于制备涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件，已成为先进涡轮动力系统设计与制造的重大关键技术之一。镍基单晶高温合金中通常加入多种强化元素，通过固溶强化和gamma-prime析出相强化来保证合金具有足够的高温强度。在多组元体系中，强化元素对单晶合金高温强度、组织稳定性等的影响十分复杂，重要的是，单晶合金在服役过程中gamma-prime强化相随温度、应力载荷、时间的变化可能发生分解和形态变化，诱发新的强化机制，并通过gamma-prime与位错的交互作用，显著影响合金的宏观力学性能。本项目基于高温蠕变试验结果，借助原位投射电镜技术，揭示了温度-力场作用下单晶高温合金gamma-prime 筏化过程中gamma/gamma-prime界面位错网形成、位错相互作用、位错与gamma-prime相交互作用及gamma/gamma-prime界面结构演化对合金力学性能的影响规律，利用连续相场方法，通过单晶合金主要强化相gamma-prime在外应作用下gamma-prime筏化过程的组织模拟，阐明了位错运动与原子定向扩散导致的gamma-prime形态、尺寸演变与合金力学性能退化的内在关联，为新一代镍基单晶高温合金的成分和微结构设计提供理论依据。获得如下主要研究结果：.在高温低应力条件下的蠕变断裂后观察，有两种类型的二次gamma-prime沉淀相形成：一种是在基体中析出并且任意分布于基体和另外一种在紧邻gamma/gamma-prime界面的位错网结点上析出并且规律地分布在位错网结点。蠕变过程中这两种类型二次gamma-prime沉淀相的不同形貌是因为在gamma基体和位错网结点两种不同的原子传输环境所致；这说明二次gamma-prime沉淀相的形成是一个Ni, Al和Ta元素向沉淀相内扩散且Co, Cr, W, Re和Mo元素向沉淀相外扩散的上坡扩散的过程。通过结合实验观察M23C6型碳化物的HAADF-STEM像和模拟不同成分M23C6型碳化物的HAADF-STEM像分析表明，Re、Mo、W分别在8c位置的完全替代Cr计算出来的结合能分别是-8.7210eV/atom、-8.6690 eV/atom和-8.7204 eV/atom；因此，M23C6中合金元素取代该8c位置的择优顺序为Re>W>Mo。