Co-Al-W 基 γ/γ′ 相强化高温合金变形机制的原位原子尺度研究

Strength is the key factors to decide the utility of superalloys. γ/γ′ precipitated Co-Al-W and Co-Al-W-Ta supperalloys, discovered in 2006, exhibited flow stress anomalies. The mechanism behind this became the main scientific obstacle to develop them further. The conventional method to investigate the mechanical properties is by observing microstructural variation during extruding or compressing the materials. However, an ex-situ observation can only obtain the microstructures after the stress applied and a video variation can not be recorded. We plan to use microscopies such as DF, HRTEM and EELS techniques to study in-situ microstructural and bonding variation in atomic scale during the deformation process. Our own invented in-situ double tilt holders will be applied to make the experiment proceeding smoothly. After all, the mechanism of the flow stress anomalies will be discussed based on this project.

机械强度是决定高温合金性能优劣的关键因素。2006年研制出了γ/γ′ 强化Co-Al-W和Co-Al-W-Ta在高温（700-900 oC）下都出现反常强化现象。对反常强化机制的深入理解成为材料学者进一步发展该系合金的障碍。研究金属变形行为比较普遍的一个方法是在拉伸或压缩测量强度的同时，原位或非原位进行显微结构观察。非原位的力学测试方法只能看到高温合金在变形过程结束后形貌和微观结构的变化，看不到变形过程中形貌以及原子结构的变化。本项目将用透射电镜技术(DF，HRTEM 及EELS) 结合自主研发的原位双倾拉伸样品台，在原子尺度下原位观察Co-Al-W 基高温合金在200-800 oC下变形过程中微观结构以及键合状态的变化。深入理解Co-Al-W基高温合金反常强化的微观机制。

机械强度是决定高温合金性能优劣的关键因素。2006年研制出了γ/γ′ 强化Co-Al-W和Co-Al-W-Ta在高温（700-900 oC）下都出现反常强化现象。对反常强化机制的深入理解成为材料学者进一步发展该系合金的障碍。我们针对这个问题对Co-Al-W基高温合金的相转变，蠕变对成分及其缺陷造成的影响以及原子尺度的原位压缩行为进行研究，在一定的领域上揭示了其不同于传统镍基单晶高温合金的力学行为。具体的研究与结论包括四部分, 首先研究了Co-12Al-10W高温合金在热处理后微观组织演变和相转变过程，揭示了Al和W在转变过程中的作用，为多组元Co-Al-W基高温合金的研发提供理论基础。随后，我们利用原子级别的能谱及其高分辨电子显微学技术，研究了蠕变前后Co-Al-W-Ti-Ta合金中各元素在γ′ 和 γ相中偏析的情况。结果表明：各元素无论是在原始样品还是在筏化后的γ 还是γ´相中，成分偏析程度一致。这个结果和理论计算的结果对应较好。这种分析方法有望扩展用于其它多元素体系。接着我们通过HAADF技术及其原子尺度的成分分析方法研究了中温蠕变后Co-Al-W-Ti-Ta 单晶高温合金中的缺陷的原子结构及成分偏聚。从不同方向解释了该合金中温蠕变情况下缺陷的种类，微观结构及成分偏聚情况。揭示了其与同相传统高温镍基单晶合金不同的蠕变力学行为。最后我们研究了Co-Al-W高温合金的原子尺度原位压缩性能研究。室温下的压缩不会引起成分的偏聚。压头附近的 γ相内的缺陷组成较为复杂包含位错，层错，原子面弯曲等变形，而γ´ 相内的缺陷种类相对单一为堆垛层错，两相界面处出现了刃位错。本项目的实施从实验上提供这种新型高温合金力学性能直接而可靠的实验数据，并提供崭新的实验物理图像。本项目对高温合金中的新的位错理论与强度关系提出，对应力、应变状态下新现象的发现具有重要意义。更重要的是，通过本项目的实施，促进了人们对Co-Al-W基高温合金反常强化的微观机制的理解，这将对高温合金的进一步发展、利用以及材料的实际应用具有重要作用。