镍基单晶高温合金中TCP相和位错的显微学与模拟计算研究

摘要

镍基单晶高温合金以其优异的高温力学性能、抗氧化和蠕变性能及良好的组织稳定性，被广泛应用于航空发动机中涡轮叶片的制备。为了满足高性能航空发动机日益严苛的设计需求，镍基单晶高温合金中加入了大量的难熔元素，大大提高了合金的抗蠕变性能，但过量的合金元素的加入会促使脆性的拓扑密堆(TCP)相的生成，TCP相的析出会损耗大量的合金元素，影响基体的固溶强化效果，同时TCP相贯穿γ、γ'相，成为裂纹的发源地及扩展通道，严重影响了镍基单晶高温合金的高温力学性能及发动机的服役寿命。因此，TCP相的存在一直制约着单晶高温合金乃至航空发动机的进一步发展，但合金元素对TCP相的作用机制、TCP相的内部特征等等一系列问题至今仍存在争议。同时，在镍基单晶高温合金制作的涡轮叶片服役过程中，位错贯穿始终，在镍基单晶高温合金的蠕变初期，位错首先在γ相中生成（初生位错），γ相是典型的fcc结构，共含有12个a/2<110>{111}滑移系。随后在施加的应力和γ/γ'界面处错配应力的共同作用下，不同滑移系的位错发生反应，形成γ/γ'界面位错网，界面位错网成功阻碍了位错进一步向γ'相移动，从而提高合金的蠕变性能。在材料的析出强化、位错强化、固溶强化和第二相粒子强化等四种强化方式中，位错强化的作用越来越凸显出来。本论文结合电子显微学与计算材料学，系统研究了镍基单晶高温合金中TCP相和位错的系列问题，具体内容如下:
　　(1)通过对5Cr0Ru和5Cr3Ru合金及4Mo0Ru和4Mo3Ru合金的扫描结果进行对比，结果表明Ru元素可以有效抑制TCP相的形核，减少TCP相的数量，但并不能有效抑制TCP相的长大。TCP相长大过程中Re、Cr、W等合金元素逐渐在生长前端富集，但Co元素的含量分布几乎与位置无关。采用第一性原理计算方法研究了Re原子与Cr原子之间的相互作用关系，结果表明当Re元素与Cr元素之间的距离为a（基体晶格常数）时，系统最稳定，并且Re原子与Cr原子之间存在扩散顺序，Re原子很容易扩散到Cr原子周围，但Cr原子很难扩散到Re原子周围。除此之外，采用第一性原理计算方法研究了Re、Cr、Zr三种元素在μ相Co7Mo6中的择优占位情况，结果表明Re原子替代Co7Mo6中的Mo原子时，其与基体原子的键合能力增强，系统更加稳定。
　　(2)利用高分辨电镜研究了σ相与基体之间的界面关系，发现σ相与基体存在一定的取向关系:[001]γ∥[112]σ，(110)γ//(1(1)0)σ，((1)10)γ//(11(1))σ。该σ相与基体的界面呈台阶状，两台阶面分别为(110)γ//(1(1)0)σ和((1)10)γ//(11(1))σ，且台阶面((1)10)γ//(11(1))σ的长度大于(110)γ//(1(1)0)σ，这是由于台阶面((1)10)γ//(11(1))σ上两相的畸变量远小于(110)γ//(1(1)0)σ。
　　(3)μ相在生长尖端存在大量层状衬度，经鉴定为在(001)面的面缺陷，HAADF-STEM结果表明这些面缺陷主要包括两种，一种是以Zr4Al3结构在1/2高度处的原子面为孪晶面的孪晶结构，它是由通过MgCu2结构的中间层原子沿[1(1)0]方向切变生成的;另一种面缺陷为两Zr4Al3结构成镜面对称的层错，是通过抽出一层MgCu2结构形成的。R相中也存在孪晶，孪生面为(1(1)(1))面，孪晶畴的宽度比μ中的要宽，TCP相中的面缺陷存在原因为协调与基体的畸变。Laves相中的C36在一定条件下会转变为P相，Laves相的每一个斑点都和P相的斑点重合，且两者成分完全一致，为TCP相的内部转化提供了便利条件。
　　(4)通过对位错的高分辨图像的分析发现，由于(1(1)1)半原子的缺失，原子排列发生了变化，在完美晶体中[(1)0(1)]晶向上原子按照ABAB顺序排列，由于(1(1)1)半原子面的缺失会形成AA或BB原子对，另外，沿着[1(1)0]晶向的原子不能再排列在一条直线上，而是在半原子面位置处发生曲折，该位错的柏氏矢量方向为[(1)0(1)]，柏氏矢量b=a/2[(1)0(1)]，其在(110)面的分量为刃型位错，且b1=a/6[(1)1(2)]。用Y.Mishin提出的EAM势函数来计算和分析Ni3Al中刃型位错芯部结构的原子排布及其周围的应力分布，与完美晶体相比，位错芯周围的原子分布是不规则的，位错芯部左右两侧的原子层向中间靠拢，并且由于原子半平面的缺失，沿着[(1)10]方向，大约有八层原子偏离其平衡位置。这些结果表明，位错具有管状影响区域，与高分辨图像的分析结果相符。通过应力分析，可以发现边缘位错应力场中存在正应力和切应力分量，正应力主要集中在位错线的两侧，而切应力距位错线几个埃距离，这项工作为进一步的位错研究提供了有效的理论依据。
　　(5)采用第一性原理方法系统研究了难熔元素在位错芯部的分布规律，结果表明合金原子引入到位错芯中对系统的能量和电子结构有巨大的影响。能量的计算结果表明Re原子更倾向于占据Al位置，特别是中心-Al系统的中心位置，从马利肯轨道布局数的结果可以看出，当Re原子占据中心-Al体系的中心位置时，Re原子和它的最近邻基体原子可以得到更多的电子，这意味着Re原子和它的最近邻基体原子之间出现更多的共振峰。因此，我们可以得出结论，当Re原子占据中心-Al体系的中心位置时，由于Re-5d和Ni-3d轨道的杂化，Re原子与其最近邻基体原子之间的相互作用增强，系统更加稳定，这些结果为理解Re原子对阻碍位错运动的机制提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高温合金的发展历程

1．2．1 制备工艺的发展

1．2．2 镍基单晶高温合金的国内外研究进展

1．3 镍基单晶高温合金的组成元素

1．3．1 元素的种类

1．3．2 元素的作用

1．4 镍基单晶高温合金的微观结构

1．4．1 γ′相

1．4．2 拓扑密堆相(TCP)

1．4．3 碳化物

1．5 计算材料学在镍基单晶高温合金研究中的应用

1．5．1 计算材料学简介

1．5．2 研究进展

1．6 本文的研究目的及内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 实验和理论方法

2．1 引言

2．2．2 热处理工艺

2．3 实验样品制备

2．3．1 扫描样品制备

2．3．2 透射样品制备

2．4 显微分析

2．4．1 电子与物质的相互作用

2．4．2 形貌及取向分析

2．4．3 位错及TCP相的鉴定

2．4．4 位错芯结构及TCP相原子尺度观察

2．5 计算材料学

2．5．1 密度泛函理论

2．5．2 分子动力学

第三章 镍基单晶高温合金中TCP相的成分特征

3．1 引言

3．2 合金元素对于TCP相形核的影响

3．2．1 合金的微观形貌

3．2．2 TCP相的成分分布

3．3 合金元素对于TCP相长大的影响

3．4 Re与cr原子之间的原子间距及扩散顺序

3．4．1 计算方法，计算参数以及模型构建

3．4．2 计算结果与分析

3．5 μ相中的合金元素占位

3．5．1 计算方法，计算参数以及模型构建

3．5．2 计算结果与讨论

3．6 本章小结

第四章 TCP相的界面特征及内部特征

4．1 引言

4．2．1 σ相与基体γ相界面的结构特征

4．2．2 结果分析与讨论

4．3 TCP相内部的缺陷

4．3．1 μ相中的面缺陷

4．3．2 R相中的孪晶

4．4 TCP相中的内生相

4．4．1 TCP相的鉴定

4．4．2 Laves和P相的成分特征

4．4．3 Laves和P相的界面关系

4．5 本章小结

第五章 镍基单晶高温合金中位错芯部结构及应力分布

5．1 引言

5．2 合金中位错形貌及原子排布

5．3 位错芯部结构及其周围应力分布的模拟计算

5．3．1 计算方法与位错模型建立

5．3．2 位错形貌及特征

5．3．3 位错周围应力分布

5．4 本章小结

第六章 合金元素在位错芯周围的分布规律

6．1 引言

6．2 同一元素在位错芯部的择优占位

6．2．1 计算参数

6．2．2 位错模型的建立

6．2．3 计算结构与讨论

6．3 不同元素在位错芯部的分布规律

6．3．1 计算参数

6．3．2 模型构建

6．3．3 计算结构与讨论

6．4 本章小结

第七章 结论

主要创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文