北京科技大学 | Acta | 颠覆认知:三个不全位错协同运动,钴镍基高温合金实现零应变孪晶!
2026-03-12 16:51:26 作者:北京科技大学 来源:北京科技大学 分享至:

 

文章导读

本文系统研究了一种新型Co-Ni基变形高温合金在750°C/620MPa条件下的蠕变行为及微观机制。研究发现,合金优异的抗蠕变性能源于其低层错能特性所诱导的复杂面缺陷交互网络。在蠕变初期,γ基体通道内首先形成宽度约5-10 nm的堆垛层错。进入稳态蠕变阶段,变形机制转变为微孪晶切入γ′相与γ通道内V形层错组态的协同作用。通过原子尺度表征,作者揭示了γ通道内层错相互作用不仅可形成洛默-科特雷尔锁等稳定结构,还能诱发局部的FCC→HCP相变。更有趣的是,通过三个相邻{111}面上肖克莱不全位错的协同运动,实现了宏观零应变的孪晶形成机制。此外,元素偏析在缺陷演化中扮演了关键角色:Co/Cr在层错处的偏析促进了层错的扩展与交滑移,而W元素在层错/微孪晶界面处的偏聚则有效阻碍了缺陷的长大。这些发现为通过晶体缺陷工程优化钴镍基高温合金的抗蠕变性能提供了重要的理论基础。

图1:展示了实验合金热处理后的初始组织,为均匀的细晶组织,平均晶粒尺寸约为11.2 μm,包含约20%的退火孪晶。γ′强化相呈现三峰分布,其中主要的次生γ′相尺寸约为71 nm,体积分数高达51%。蠕变曲线表明,该合金在750°C/620 MPa下的最小蠕变速率约为8.5×10⁻⁹ s⁻¹,显著优于Waspaloy和U720Li等商用合金。

图2:展示了实验合金在不同蠕变应变量(0%,0.1%,0.5%和1.0%)下的SEM组织。可以看到,在整个蠕变过程中,次生γ′相(红色箭头)和三次γ′相(蓝色箭头)均保持了良好的形态稳定性,其中作为主要强化相的次生γ′相平均尺寸稳定在68 nm左右。

图3:展示了蠕变初期(应变量0.1%)的变形组织。透射电镜明场像显示,γ基体通道内形成了大量长度为5-10 nm的堆垛层错,这些层错一端与晶界相连,并贯穿γ/γ′相。通过衍射衬度分析,确定了这些层错为内禀层错,且其领先不全位错为a/6<112>肖克莱不全位错。

图4:展示了稳态蠕变阶段(应变量0.5%)的典型组织。透射电镜明场像沿[001]和[110]方向均观察到大量贯穿γ/γ′相的微孪晶。高倍图像显示,γ基体通道内除了微孪晶外,还出现了由不同滑移系上的层错相互作用而形成的“V”形层错组态,表明缺陷交互开始加剧。

8:展示了元素在层错与微孪晶交互区域的偏析行为。HAADF-STEM像和相应的能谱分析表明,无论是微孪晶还是层错,在穿越γ′相时都表现出显著的Co和Cr富集,以及Ni和Al的贫化。特别地,在微孪晶穿越γ′相的区域,Cr浓度可增至基体的三倍,而Ni和Al浓度则减半,这种强烈的元素再分布影响了缺陷的动力学。

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