多元素交互作用下镍基单晶高温合金位错芯的结构和位错芯区的应变场研究

This project is aimed to study the structure and strain field of dislocation cores in nickel-based single-crystal superalloys under different creep conditions with the aid of transmission electron microscopes. Effect of composition and creep conditions on the structure and strain field of dislocation cores in the gamma phase, gamma prime phase and gamma/gamma prime interface will be researched to reveal the dependence of dislocation configurations upon the composition and service conditions. A physical model of dislocation cores will be given based on the distribution and existence of alloying elements. A computer simulation and analysis of the dislocation core structures will be carried out according to the methods of first principles calculation, molecular dynamics simulation, etc to reveal the nature of the dislocation configurations. By comprehensive researches with 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.

本项目通过电子显微镜研究镍基单晶高温合金在不同蠕变条件下位错芯的结构和位错芯区的应变场特征。研究合金成分以及蠕变条件对于gamma相滑移位错、gamma prime相超位错以及gamma/gamma prime相界面位错等缺陷的组态、芯部结构及芯区应变场的影响规律，揭示成分和服役条件对于位错组态形成和演化的本质作用；研究合金成分在位错芯区的分布特点和赋存状态，建立位错芯区结构的物理模型；借助于第一性原理和分子动力学计算等方法模拟位错芯区结构，分析位错组态演化的物理本质。通过实验研究与理论模拟的综合分析，揭示高温合金成分-组织-性能之间的关系，逐步比较得出高温合金强化机理与缺陷控制理论。

本文设计六种Cr和Ru含量不同的镍基单晶高温合金，经1100℃和137MPa下蠕变1%后，借助扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究合金的微观结构，着重研究高温合金γ相内错配位错、滑移位错、及扩展位错芯部结构及错配位错芯区原子畸变，γ'相超分位错的位错锁组态及扩展位错组态及各不全位错芯区应变场，蠕变过程中γ/γ'界面及界面位错网原子结构。运用分子动力学模拟得到Ni和Ni3Al弛豫后的刃型位错芯部结构及应力分布，并利用第一性原理计算得到同一元素在位错芯部的择优占位及不同合金元素在位错体系中的合金化效应。.（1）γ相内错配位错芯部表现为呈“V”型分布的两个{111}半原子面，芯部原子畸变复杂，是两刃型位错原子芯部畸变叠加的结果。滑移位错交滑移后形成K-W锁达到强化效果。扩展位错芯部结构为一{110}型半原子面或者{111}面的局部位移（位移小于晶格矢量）。.（2）γ'相位错（超分位错）成对存在。超分位错分解为Frank不全位错和Shockley不全位错，Frank不全位错不可动“锁住”整根位错，构成位错锁组态。超分位错分解为两个Shockley不全位错，构成扩展位错组态。Frank不全位错芯部结构表现为插入{111}半原子面，芯部应力场压应力占主体，不关于半原子面所在平面对称。刃位错芯区应力场经模拟关于半原子面对称，半原子面一侧为压应力，另一侧为拉应力。观察结果与模拟结果不同，是由于实际合金中半原子面的弯曲或难熔元素的团簇。扩展位错芯部结构与γ相扩展位错相似。.（3）位错网呈三维构型，其中，a<100>型界面超位错芯部以位错偶极子a/2<100>形式分解。.（4）难熔原子更倾向于取代位错芯中心位置处的Al原子并且Re元素的合金化效应要强于W元素和Cr元素。.通过实验观察与理论模拟相结合，揭示高温合金成分-位错结构-性能之间的关系，丰富和发展了高温合金强化的理论体系。