镍基单晶高温合金添加Ru对TCP相界面附近溶质元素输运特性影响的原子尺度研究

This project is aimed to study the distribution and interaction of solute atoms on the atomic scale around typical TCP phases in nickel-base single-crystal superalloys under different creep conditions with the aid of scanning transmission electron microscopes (STEM). Effect of Ru addition on the diffusion behavior of solute atoms close to the TCP phases will be researched comparatively in the complicated multi-component alloy to reveal the interaction of solute atoms during the formation of TCP phases. Effect of composition and service conditions of the superalloys on the crystal structure and boundary of TCP phases as well as the related resultant motion of solute atoms close to the TCP phases will be clarified. A physical model for the migration of solute atoms close to the TCP phases will be given based on the experimental observation on the atomic scale. A computer simulation and analysis of the solute atomic migration related to the formation of TCP phases will be carried out according to the methods of first principles calculation, molecular dynamics simulation, etc to reveal the nature of the Ru addition. By comprehensive researches with atomic-scale experimental observation and theoretical analysis, the relationships among compositions, microstructures, and properties in superalloys will be rationalized. The strengthening mechanism and defect-control theory will be developed in superalloys based on the planned work.

本项目通过高分辨扫描透射电子显微镜(STEM)在原子尺度研究不同蠕变条件下镍基单晶高温合金几种典型的TCP相界面附近溶质元素的分布特征和相互作用的规律，通过对比确定元素Ru对复杂合金体系中TCP相前沿溶质元素扩散行为的具体影响，揭示溶质原子形成TCP相的交互作用特征；研究合金成分和服役条件对TCP相晶体结构和界面结构的影响规律及其对附近溶质原子运动行为产生作用的微观机制；借助于第一性原理计算和分子动力学模拟等方法分析高温合金中与TCP相形成有关的溶质原子扩散行为，阐明高温合金添加Ru对于溶质原子交互作用形成TCP相影响的物理本质。通过实验研究与理论模拟的综合分析，在原子尺度揭示高温合金成分-组织-性能之间的密切关系，逐步比较得出高温合金强化机理与缺陷控制理论。

本文借助电子显微分析技术，对镍基单晶高温合金中Ru元素对合金的微观结构以及TCP相生长的作用机制展开了深入研究。同时，利用第一性原理计算方法，对高温合金中难熔元素在TCP相中的占位机制进行了研究。.（1）较高含量的Ru元素(≥3wt.%)的添加能够诱发合金元素的逆分配。Ru元素的添加促使TCP相与基体界面之间的扩散系数增加，从而，γ′相粗化和筏排化程度增强。.（2）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TCP相生长方向前端富集，但Co元素的含量分布几乎与位置无关。.（3）利用高分辨透射电镜研究了TCP相与基体之间的界面关系。σ相与基体的取向关系为：[001]γ//[112]σ，(110)γ//(1-10)σ，(-110)γ//(11-1)σ。并且该σ相与基体的界面呈台阶状。μ相与基体的取向关系为：[1-21]μ//[-110]γ，(111)μ//(110)γ，错配度δ=1.6%。P相有三种形貌，针状P<110>、棒状P<112>、片状P{110}。针状P<110>与基体的取向关系为：(211)P//(110)γ，错配度为0.08%。棒状P<112>与基体的取向关系为：(03-2)P//(112)γ，错配度为1.6%。片状P{110}与基体的取向关系为：(03-2)P//(112)γ，(034)P//(110)γ，错配度分别为0.54%和0.08%。.（4）通过研究TCP相中的亚结构，发现μ相中存在(001)孪晶，R相中存在(1-1-1)孪晶，R相中孪晶畴的宽度比μ相中的要宽。Laves相中的C36在一定条件下会转变为P相，Laves相与P相的衍射斑点重合，进一步促进TCP相的内部转化。.（5）第一性原理计算研究合金元素在TCP相中的占位机制，结果表明：对Laves相稳定性的有利元素为Mo、Cr和Re元素，不利元素为Zr元素。对μ相稳定性的有利元素为W和Re元素，不利元素为Zr和Cr元素。