Ni-Co基高温合金变形机制的透射电子显微学研究

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新型Ni-Co基高温合金具有优异的高温力学性能,被视为下一代涡轮盘的理想材料。由于涡轮盘所处的工作环境特殊,工作温度跨度较大(从中温到高温),在此温度区间,该新型Ni-Co基高温合金存在动态应变时效现象,因此研究该合金的动态应变时效现象的微观机制对于该合金的发展和应用具有重要意义。本文利用透射电子显微镜(TEM)的衍衬成像技术、高分辨成像技术、高角环形暗场(HAADF)成像技术、X射线能谱(EDS)分析技术以及能量过滤成像(EFTEM)技术,对不同条件下变形的Ni-Co基高温合金做了系列的表征。在对变形后的样品的表征基础上,在粗晶合金中发现了宏观零应变形变孪晶。通过对孪晶两端位错的分析,提出了两种宏观零应变孪晶的形核机制。  本研究主要内容包括:⑴在相邻面上或者隔着一层原子的近邻面上运动的层错在相互靠近时,由于应力的作用两个层错会相互叠加,并且会吸引或者衍生出第三个层错,进而形成一个三层的微孪晶片层。这个孪晶片层不仅两端的不全位错柏氏矢量的和为零,而且总体的柏氏矢量也为零。⑵在应力的作用下,材料内部首先发生晶格扭曲,在应力达到一定程度时,三个不全位错的位错偶同时产生,并以三个和为零的不全位错为一组协同滑移,这样可以有效的减小滑移过程中的阻力。形核之后的宏观零应变孪晶既可以通过与位错的相互作用,也可以通过继续产生位错偶来完成拓宽。⑶通过原位观察,研究了位错与孪晶界的交互作用。研究发现:在孪晶界附近的全位错,通过位错反应会穿过孪晶界并在上面留下一个不全位错。对形变孪晶与退火孪晶的交互作用的研究表明,形变孪晶被另一个方向孪晶界阻碍后,当应力足够大时,会在交割处作为一个新的位错源发射孪生位错。⑷对不同温度下变形的样品进行观察,发现随着温度的升高,材料的变形机制也随之改变,低温变形以位错滑移为主,中温变形以层错为主,高温变形以孪生为主。通过统计合金在不同形变条件下的层错密度和层错能,发现:室温变形的样品层错密度最低;温度由室温升至350℃,层错密度随着温度升高而缓慢上升;由350℃至450℃时,层错密度急剧上升,并在450℃出现极大值;由450℃至725℃时,层错密度逐渐下降。层错能也先随着温度的升高而上升(室温至350℃),之后随温度的升高急剧下降(350℃~450℃),并在450℃出现极小值,后又随着温度的升高而上升(500℃至725℃)。对在温度为450℃,变形速率为8×10-5 s-1条件下得到的不同形变量的样品进行研究,结果表明:在该变形条件下,动态应变时效初始阶段是由位错脱钉引起的,主要表现为全位错分解为层错;随着变形量的增加,层错之间以及层错与位错之间的相互作用成为影响动态应变时效的主要因素。⑸原位加热实验发现当加热温度为1050℃时,相邻的γ析出相颗粒会进行重组,同时形状由球形向多边形转变。这一过程分可为四个阶段:初始阶段、相界迁移阶段、相界调整阶段和稳定阶段。通过对样品进行成分分析,发现Co和Cr元素在γ析出相的位错线上有富集,而且在γ析出相中的位错周围可能会通过扩散形成γ相颗粒。
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