一种隐藏的界面结构，能够增强多晶超级合金的热稳定性

《Materials Today Nano》：A hidden interfacial structure that enhances the thermal stability of polycrystalline superalloys

γ'相与γ''相界面存在Al富集、Ni单层和Nb贫化交替的原子层结构，该界面相阻碍析出相粗化，提升镍基高温合金热稳定性。

　　

G.J. 廖 | J. 吴 | P. 谢 | L.B. 付 | Z.Q. 周 | Q.J. 杨 | G.J. 陈 | C.L. 吴 | J.H. 陈

湖南大学材料科学与工程学院高分辨率电子显微镜中心，长沙 410082，中国

摘要

基于镍的多晶超合金主要通过γ′/γ″复合沉淀物来增强性能，这些沉淀物是各种高温应用中的重要材料。γ′和γ″相分别是具有Ni₃Al结构和Ni₃Nb结构的固溶体。然而，它们在原子尺度上的界面结构及其优异的高温性能尚未得到充分阐明。在这里，我们报告了在由γ′/γ″复合沉淀物强化的超合金的γ′/γ″界面存在一种隐藏的界面结构或相。通过使用原子分辨率电子显微镜、光谱学和原子探针断层扫描技术，我们发现所有γ′/γ″界面都具有γ′/x_Al|x_Ni|x_Nb/γ″的界面结构，其中x_Al是富铝的Al-Ni单层，x_Ni是镍单层，x_Nb是贫铌的Nb-Ni单层。观察到这种界面结构甚至可以在γ″/x_Nb|x_Ni|x_Al|x_Ni|x_Nb/γ″配置中仍然存在，显示出其作为特征性界面相或结构的独特性。因此，这种界面相阻碍了γ″沉淀物的粗化或生长，从而提高了合金的高温强度。

引言

基于镍的多晶超合金Inconel 718（IN718）是一种典型的通过沉淀硬化获得强化的超合金，用于高温应用中的结构部件[1]、[2]、[3]。两种关键的沉淀相，即L1₂有序的γ′相和D0₂₂有序的γ″相，对合金的高温强度至关重要[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在时效过程中，γ′相和γ″相总是以共沉淀物或复合沉淀物的形式形成，表现为二聚体、三聚体和四聚体[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。对于这些共沉淀物，γ′/γ″界面的结构和化学性质在γ′/γ″共沉淀物的结构演变中起着关键作用，最终影响合金的热稳定性。

众所周知，γ′/γ″界面平行于(001)_γ″ // {001}_γ′平面，并且在两侧的结构之间保持完全相干[15]。在完全相干的γ′/γ″界面的两侧，完美的原子排列为溶质原子跨界面交换提供了强大的屏障[16]。为了简化基于γ′相的Ni₃Al和γ″相的Ni₃Nb的化学计量比的γ′/γ″界面原子结构的描述，可以将γ′相和γ″相的结构分别表示为(…ACACAC…)和(…BABABA…)，其中A原子层代表镍层，B原子层代表γ″相中的含铌层，C原子层代表γ′相中的含铝层。如之前的研究[11]、[15]、[16]、[17]、[18]所示，广泛接受的界面原子层堆叠方式为(…ACACABABA…)。此外，第一性原理计算和三维原子探针断层扫描显示，在γ′/γ″界面附近存在一个富铝层[11]、[18]、[19]。然而，关于紧凑的γ′/γ″配置的界面结构的基本问题仍有待回答：由于溶质偏析，γ′/γ″界面的多少原子层在结构和成分上与它们在γ′相或γ″相中的原始状态有明显变化？例如，镍层可能是一个界面原子层，形成(…ACACA_iBABA…)堆叠，即γ′/A_{i/γ″配置，其中Ai代表高镍含量的界面层[11]。同样，含铌层也可能是一个界面原子层，形成(…ACACABiABA…)堆叠，即γ′/Bi/γ″配置，其中Bi代表含铌的界面层[16]。因此，γ′/γ″界面的结构问题可以更具体地定义为确定γ′/X/γ″界面结构。然而，由于迄今为止使用的实验工具在确定这种原子尺度界面结构方面的精度不足，γ′和γ″相之间的X原子层的确切结构尚未得到充分澄清。尽管已经指出了时效后的IN718中γ′到γ″相的转变[20]，但原子尺度的转变路径以及界面结构的相应演变仍不清楚。此外，尽管第一性原理计算表明γ′/γ″界面处的铝元素偏析可能会抑制沉淀物的粗化[11]，但仍需要实验证据来支持这一重要结论。}

在本研究中，我们利用先进的原子分辨率电子显微镜、原子分辨率光谱学和原子探针断层扫描（APT）结合能量计算，准确地研究了γ′/γ″界面的原子结构，以了解其在典型IN718超合金的γ′到γ″相转变过程中的演变。结果表明，γ′/γ″界面实际上具有γ′/x_Al|x_Ni|x_Nb/γ″的界面结构，其中x_Al是富铝的Al-Ni单层，x_Ni是镍单层，x_Nb是贫铌的Nb-Ni单层。我们的研究进一步表明，界面沉淀物阻碍了γ″相的粗化，从而提高了合金的高温强度。

实验细节

实验细节

实验中使用的材料是热轧的IN718超合金。其化学成分列于表1中。热处理过程如图1a所示。合金在960°C下溶液处理1小时，然后水淬火。随后进行了两步热处理：首先在720°C下加热8小时，然后在620°C下加热30小时，最后以50°C/小时的速率进行炉冷。样品在4个不同的时效时间点取出。

γ′/X/γ″界面结构的表征

利用HAADF-STEM成像技术，图2a-d分别显示了在所研究的IN718超合金中形成的典型γ′/γ″二聚体、

γ′/γ″/γ′三聚体、γ″/γ′/γ″三聚体和γ″/γ′/γ″/γ′四聚体复合沉淀物。可以看出，γ″相部分比γ′相部分更亮，因为前者含有更多的重元素铌原子，而后者含有更多的轻元素铝原子。

讨论

我们通过实验观察到，所观察到的界面相具有相当稳定的结构，在稳定由γ′/γ″复合沉淀物组成的微观结构中起着关键作用。为了更深入地理解其热行为，值得使用VASP软件通过第一性原理计算进一步讨论其与γ′相和γ″相的关系。

具有Ni_aAl_bNb组成的晶体相或超胞的每个原子的形成焓（ΔH）

结论

在本研究中，我们利用原子分辨率电子显微镜、光谱学、原子探针断层扫描以及能量计算，系统地研究了γ′/X/γ″界面结构，该结构在决定由γ′/γ″复合沉淀物强化的多晶超合金的性能中起着至关重要的作用。根据获得的结果，可以得出以下结论：

(1)

在γ′/γ″界面存在一个明确的界面结构或界面相

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：U23A20392、12474006和52361005）和海南省自然科学基金（编号：223MS008）的财政支持。