鎳基高溫合金由於γ/γ′顯微組織而具有優异高溫效能和機械效能，已廣泛應用於航空發動機渦輪葉片等。雖然在鎳基單晶（Ni-SX）高溫合金的設計和開發中不考慮晶界的影響，但合金的失效行為仍然很複雜，涉及許多微觀效應，其中之一是基體擴散控制的γ′析出相的粗化行為。大量實驗表明，錸（Re）的加入能够顯著降低γ′相的粗化動力學。已有研究表明，在Ni-Al-Cr合金中加入2% Re使γ′粗化動力學降低了約兩個數量級，然而對反應機理仍有不同的看法。在大多數報導中認為Re降低合金的擴散係數，從而提高高溫穩定性，有效地阻礙了γ′粗化。然而另有報導認為在γ基體中其他溶質的擴散率幾乎不受Re的影響。囙此，Re對γ/γ′相的影響機理仍有待進一步研究和探索。
西北工業大學的研究人員揭示了Ni-SX高溫合金在長期時效過程中，介面上Re偏析的形成，深入探討了Re在Ni-SX合金中的作用，成功地確定了Re在γ/γ′介面的偏析現象以及Re與γ′粗化的相互影響。相關論文以題為“Unveiling the Resegregation atγ/γ′interface inNi-based superalloy”發表在Scripta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114131
合金成分為：Ni-10Cr-9Co-0.5Mo-4W-4.3Al-2.5Ti-2Re-5Ta（wt%）。採用Bridgeman定向凝固法沿[001]方向對3個單晶錠進行定向凝固，進行1240℃/2h+1260℃/4h+1265℃/2h（空冷）；1130℃×4h（空冷）；870℃×20h（空冷）熱處理，下文簡稱為SHT。SHT後分別在900℃和1000℃進行等溫長時效（2000h空冷），下文簡稱為LTAT900和LTAT1000。
研究發現SHT析出相的平均尺寸為0.41μm，LTAT900和LTAT1000析出相平均尺寸分別為0.68μm和1.21μm。SHT中γ′體積分數為57.6%，LTAT900為51.2%，LTAT1000為48.1%。在較高溫度（950-1100℃）時，Re在基體中的擴散率小於γ′相生長的實際擴散，Re的擴散效率較低，Re原子在γ/γ′介面不斷積累並形成偏析。而在低溫（800-900℃）時，Re的擴散與γ′相的生長持平，Re原子能够擴散而避免在介面上聚集。
圖1 SHT、LTAT900和LTAT1000的TEM圖
圖2（a）LTAT1000的APT結果；（b）γ/γ′介面分析；（c）γ/γ′介面Re富集；（d）γ/γ′介面Re分佈圖
圖3（a）Re、（b）Ta在SHT、LTAT900和LTAT1000的γ/γ′介面上的一維分佈。（c）γ和γ′相之間的元素分配係數和元素擴散示意圖
圖4（a）不同溫度下γ′粗化過程中有效擴散（De）與Re在γ基體中的擴散（DRe）比較；γ′粗化過程中γ/γ′介面Re偏析形成機制：（b）低溫（800-900℃）、（c）高溫（950-1100℃）
在高溫時效過程中，γ′相發生嚴重粗化，Cr、Co、Mo、Re元素幾乎不向γ′相擴散，而Al、Ti、Ta擴散到γ′相中，完成γ′生長。稀土在介面上的偏析形成機制可以概括為兩個不同的階段：高溫階段和低溫階段。在較高的溫度（950-1100℃）下，γ基體中的Re擴散率大大低於γ′相的擴散，無法實現γ′相的平衡生長，囙此隨著γ/γ′介面的遷移，Re原子在介面處努力擴散並不斷積累，形成Re偏析。而在較低溫度（800-900℃）時，Re擴散能够平衡γ′相生長的有效擴散，Re原子更容易擴散，避免在介面上聚集。高溫階段γ′相的驅動力較大，而冷卻階段γ′相的驅動力較小。本文研究了Ni-SX高溫合金在不同熱處理後γ/γ′介面上的Re偏析現象，對Ni-SX高溫合金的設計開發提供了理論基礎。
本文來自微信公眾號【材料科學與工程】，未經許可謝絕二次轉載至其他網站，如需轉載請聯系微信公眾號mse_material
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！聯繫郵箱：yzhao@koushare.com