導(dǎo)讀：拓?fù)涿芏逊e（TCP）相通常在鎳基高溫合金中形成，在使用過程中具有高難熔元素，它們不利于高溫合金的高溫性能。本文研究了鎳基單晶中的 TCP 相析出。在熱機(jī)械疲勞變形下添加或不添加 Ru 的高溫合金。觀察到不同{111}平面上的變形孿晶相互交叉并形成大量高角度邊界。這些大角度晶界的結(jié)構(gòu)與拓?fù)涿芏逊e的σ相高度相似，晶界富含Re、Ru、Co和Cr，為σ相的形成提供了結(jié)構(gòu)起源和組成元素。Ru在TCP相和基體之間強(qiáng)烈偏析為半共格和非共格界面，這降低了界面能并導(dǎo)致TCP相析出物形態(tài)發(fā)生顯著變化。這些結(jié)果提供了對(duì)晶格缺陷影響的洞察力和共同演化化學(xué)在高溫合金中 TCP 相的形成，并闡明一般合金中的不均勻沉淀。

鎳基單晶 高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能被廣泛用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。鎳基高溫合金的高溫強(qiáng)度很大程度上取決于難熔元素，尤其是 Re，作為有效的固溶強(qiáng)化劑，這也顯著提高了高溫合金的抗蠕變性。然而，Re 添加提高了高溫合金在長(zhǎng)期高溫暴露后形成脆性和有害拓?fù)涿芏逊e (TCP) 相的敏感性。使用期間的 TCP 相沉淀會(huì)耗盡基體中的強(qiáng)化元素，從而降低對(duì)合金的強(qiáng)化效果。更關(guān)鍵的是，TCP 相析出物會(huì)分層，從而成為斷裂的起始點(diǎn)。TCP 相是金屬間化合物富含Cr、Co、W、Mo、Re等過渡金屬。由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，在鎳基高溫合金中形成了多種 TCP 相。最常見的是 σ、μ 和 P 相。

對(duì)長(zhǎng)期相穩(wěn)定性的需求導(dǎo)致在最新一代鎳基高溫合金中添加 Ru，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)添加 Ru 可有效抑制 TCP 相的形成。已經(jīng)為 Ru 效應(yīng)提出了幾種可能的機(jī)制，例如 γ/γ' 微結(jié)構(gòu)中的反向元素分配、減少 γ' 體積含量和 TCP/基質(zhì)界面能的變化。然而，由于 TCP 相析出物在早期階段非常小，并且會(huì)隨著合金成分的變化而顯著變化，因此非常需要了解 Ru 添加對(duì) TCP 相成核的影響，特別是在高溫合金的使用條件。特別是，熱機(jī)械疲勞 (TMF) 是一種綜合了應(yīng)變和溫度效應(yīng)的復(fù)雜變形過程，被認(rèn)為是最接近渦輪葉片實(shí)際使用條件的變形方法。

因此，TCP 相如何在工程材料的工作條件下成核和生長(zhǎng)是一個(gè)深入研究的主題。在此，在 Ni 基單晶高溫合金的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)期間，在孿晶相交處觀察到 σ 相的析出。透射電子顯微鏡(TEM) 揭示了化學(xué)和晶格缺陷對(duì) σ 相形成的相互作用，尤其是像差校正的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM) 和原子分辨率能量色散 X 射線光譜 (EDS)。這些結(jié)果提供了對(duì)晶格缺陷和共演化化學(xué)對(duì) TCP 相成核和生長(zhǎng)的影響的洞察，也將有助于理解工程材料中第二相的非均勻成核。

基于此，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所杜奎教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在鎳基單晶高溫合金的熱機(jī)械疲勞變形過程中，約 40 小時(shí)后，孿晶相交處形成了大量 σ 相析出物。Σ9晶界在孿晶相交處形成，這些高角度晶界富含Re、Ru、Co和Cr，從而為σ相的形核提供了構(gòu)成元素。同時(shí)，Σ9邊界由結(jié)構(gòu)單元 |E 1 E 1組成P|，與σ相的結(jié)構(gòu)高度相似，因此它們也提供了成核的結(jié)構(gòu)起源。溶質(zhì)偏析和高角邊界結(jié)構(gòu)之間的相互作用促進(jìn)了σ相的形核和生長(zhǎng)。Ru顯示偏析特別是TCP相和基體之間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導(dǎo)致沉淀物形態(tài)的顯著變化。第四代合金中的多面體TCP相有效地避免了應(yīng)力集中，有助于提高鎳基單晶高溫合金的熱機(jī)械疲勞性能。

相關(guān)研究成果以題“Interplay of chemistry and deformation-induced defects on facilitating topologically-close-packed phase precipitation in nickel-base superalloys”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422004906

圖 1。(a) 變形的第三代合金樣品的背散射電子的 SEM 圖像，在不同的平面上顯示雙胞胎，用 A、B 和 C 表示。(bc) 觀察到的變形樣品的菊池對(duì)比度 (b) 和歐拉角 (c) 圖沿EBSD獲得的 [1-10] 軸。橫向于變形帶（b 中的插圖）的錯(cuò)誤取向剖面對(duì)應(yīng)于（b）中紅色和黑色箭頭表示的方向。(d, e) 顯示變形結(jié)構(gòu)的二次電子圖像第三代合金樣品縱向截面的斷裂面積和 (f, g) 對(duì)應(yīng)的 Re 和 Cr 元素 EDS 圖。(h) 顯示第四代合金樣品縱向截面斷裂區(qū)域變形結(jié)構(gòu)的二次電子圖像。(i) SEM 圖像和 (j, k, l) 對(duì)應(yīng)的 Re、Cr 和 Ru 元素 EDS 圖，從第四代合金樣品中的孿生交叉區(qū)域獲得。

圖 2。(a) 第三代合金斷口的 SEM 圖像。(bc) 第三代合金斷面的背散射電子高倍掃描電鏡圖像。(d) 通過 EDS 分析從 (b) 中黃色虛線框勾勒的區(qū)域獲得的 Cr 和 Re 元素圖。(e) 第四代合金斷口的 SEM 圖像。(fg) 第四代合金斷面的背散射電子高倍 SEM 圖像。(h) 通過 EDS 分析從 (f) 中黃色虛線框勾勒的區(qū)域獲得的 Cr、Re 和 Ru 元素圖。

圖 3。(a) 在第三代合金中發(fā)生再結(jié)晶的孿晶相交處形成的 TCP 相的 SEM 圖像和 EDS 圖。(b) 第三代合金中直接在孿晶交叉處形成的 TCP 相的 SEM 圖像和 EDS 圖。

圖 4。變形樣品中雙相交點(diǎn)的TEM圖像。(a, d) 沿 [1-10] 區(qū)域軸觀察的變形孿晶的明場(chǎng) TEM 圖像。（bc，ef）雙胞胎 A 和 B 的暗場(chǎng) TEM 圖像和相應(yīng)的SAED圖案（插圖）。雙胞胎 A 和 B 在暗場(chǎng)圖像中由黃色箭頭勾勒出輪廓。TCP 相由紅色橢圓勾勒，RX 代表重結(jié)晶。

圖 5。(a) 再結(jié)晶區(qū)域的明場(chǎng)TEM圖像。TCP相的沉淀顆粒用紅色箭頭表示。(b) 沉淀顆粒的 HAADF-STEM 圖像和 EDS 分析。(cd) 分別沿 [110] 和 [410] 區(qū)域軸觀察的 TCP 相的 HAADF-STEM 圖像。沿 [110] (c) 和 [410] (d) 軸的模擬 HAADF-STEM 圖像顯示為由白色虛線框勾勒的插圖。(ef)從傅里葉變換獲得的沿 [110] (e) 和 [410] (f) 區(qū)域軸的 HAADF-STEM 圖像的功率譜。（gh）沿[110]（g）和[410]（h）軸的σ相模擬電子衍射圖。

圖 6。(a) 第三代高溫合金中典型孿生交叉區(qū)域的 HAADF-STEM 圖像。雙相交區(qū)域的示意圖顯示為插圖。(be)從雙胞胎 A (b)、σ 相 (c)、雙胞胎 B (d) 以及雙胞胎 A、σ 相和雙胞胎 B (e) 的 HAADF-STEM 圖像的傅里葉變換獲得的功率譜。

圖 7。(a) 第四代高溫合金中典型孿生交叉區(qū)域的 HAADF-STEM 圖像。雙相交區(qū)域的示意圖顯示為插圖。(be)從雙胞胎 A (b)、σ 相 (c)、雙胞胎 B (d) 單獨(dú)和所有雙胞胎 A、σ 相、雙胞胎 B (e) 獲得的功率譜。

圖 8。(a) 由孿生相交引起的 Σ9 附近邊界的實(shí)驗(yàn) HAADF-STEM 圖像。表示邊界的結(jié)構(gòu)單元。(b) Σ9{111} 晶界附近的松弛晶界，結(jié)構(gòu)單元為 E 1 E 1 P 從第一性原理計(jì)算獲得。(c) P型結(jié)構(gòu)單元中的Ni原子被Re或Ru原子取代。原子的取代能（單位：eV/原子）被標(biāo)記。(d) P 型結(jié)構(gòu)單元中 Re（藍(lán)色）和 Ru（青色）取代的 COHP 鍵合分析。

圖 9。雙相交點(diǎn)處 σ 相粒子的 HAADF-STEM 圖像和區(qū)域的 EDS 映射。(ad) 第三代合金中的σ相顆粒。(ej) 第四代合金中的σ相粒子。(km) Re/Ru和Cr/Co在不同區(qū)域（γ′、γ、σ/基體界面、σ相）的相關(guān)性，各個(gè)元素的含量由各自的EDS圖確定。γ′、γ和σ相中元素Cr、Co、Re和Ru之間關(guān)系的線性擬合值和相關(guān)系數(shù)列于表S7和S8中。

圖 10。(a) HAADF-STEM 圖像顯示第三代合金中雙相交處的 Σ9{111} 邊界。紅色和青色框表示獲得 (e, f) 中的 EDS 光譜的位置。(bd) HAADF-STEM 圖像和取自 Σ9{111} 邊界的 Co、Cr 和 Re 元素圖的疊加。（e，f）來自 Σ9{111} 邊界（紅色框）及其相鄰 γ′ 相（青色框）的 EDS 光譜。(g, h) 從 Σ9{111} 邊界的相應(yīng) EDS 圖確定的元素分?jǐn)?shù)的線剖面。

圖 11。(a) HAADF-STEM 圖像顯示第四代合金中孿晶交叉處的 Σ9{111} 邊界。紅色和青色框表示獲得 (d, g) 中的 EDS 光譜的位置。(bc, ef) 從 Σ9{111} 邊界獲取的 HAADF-STEM 圖像和 Co、Cr、Ru 和 Re 元素圖的疊加。(d, g) Σ9{111} 邊界（紅色框）及其相鄰 γ' 相（青色框）的 EDS 光譜。(h, i) 從 Σ9{111} 邊界的相應(yīng) EDS 圖確定的元素分?jǐn)?shù)的線剖面。

圖 12。(a) 沿 [001] σ軸觀察的 σ 相的原子結(jié)構(gòu)。(b) 重疊的紅色和藍(lán)色六邊形與中心橙色球體相結(jié)合，說明了 σ 相的特征結(jié)構(gòu)。(c) 沿 [110] σ軸的 σ 相的側(cè)視圖。(d) 沿 [001] σ軸的 σ 相俯視圖， σ 相 (Cr 2 Re 3 ) 的鍵長(zhǎng)為 248，Cr-Re 鍵為 263 pm，Cr-Cr 鍵為 254 pm。(e) Σ9{111} 邊界沿[1-10] γ軸的側(cè)視圖和 (f) 示意圖，綠色球體表示孿晶 B 側(cè)的原子，黃色和紫色球體表示孿晶 A 側(cè)的原子. (g) {111} B的側(cè)視圖沿 [1-10] γ軸觀察的孿晶 B 和 σ 相之間的相干界面和 (h) 示意圖，以及 (i) 沿 σ 相的 [001] σ軸觀察的界面頂視圖（也是 [ 1-10] γ軸），其中{111} B中Ni原子之間的距離為L(zhǎng) 1 : 249, L 2 : 249, L 3 : 249, L 4 : 249, L 5 : 249, L 6 : 249 pm。