金属所《Acta Materialia》：位错攀移主导的碳化物分解和断裂！

Original 材料科学与工程材料科学与工程 2023-03-21

沉淀强化通常被用于高强度和高温合金。例如，金属碳化物和硼化物被认为是典型的硬相，对超级合金的整体强度有很大的贡献。由于碳和硼通常被添加到超级合金中，以改善可铸性、减少晶粒缺陷和加强晶界，碳化物和硼化物总是在超级合金中沉淀，并对蠕变性能有益。然而，这些第二相和基体之间的界面通常被认为是超级合金中的蠕变和疲劳裂纹成核点。此外，在许多长期热暴露的铸造超耐热合金中也观察到金属基体中的碳化物分解。金属碳化物（MC）是钢和超耐热合金中典型的强化相。然而，在高温蠕变过程中会发生碳化物的分解，这通常被认为对超级合金的高温性能是不利的。

来自中国科学院金属研究所和河北工业大学的学者通过透射电子显微镜和原子模拟，报道了金属碳化物（MC）分解原子尺度到微观尺度的机制。本研究发现，在高温蠕变过程中，MC可以发生塑性变形，这被观察到的MC内部的高密度位错和基体/MC界面的台阶所支持。这可以释放基体/MC界面上的应力集中，从而提高抗蠕变能力。随着Cr沿位错线的偏析和连续位错的攀升，MC在晶粒内部发生分解为M₂₃C₆，这可能导致MC碳化物内部的裂纹，即在部分连贯的M₂₃C₆/MC界面上发生断裂。这对现有的知识来说是新的，即MC分解和断裂发生在基体/MC界面。相关文章以“Dislocation climbing dominated decomposition and fracture of carbides in a Ni-based superalloy”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118669

图1. MC的形态学。(a)和(b)HAADF图像分别显示了蠕变断裂试验之前和之后基体中的MC碳化物（γ/γ'）。在（a）中插入了MC的EDS剖面图。(b)中的箭头表示MC碳化物的线性特征。

图2. 元素在MC碳化物中的不均匀分布。(a) HAADF图像显示MC碳化物的不均匀区域。对MC碳化物进行的EDS图，包括(a)中矩形框内的不均匀区域：(b) C-K, (c) Ti-K, (d) V-K, (e) Cr-K, (f) Co-K, (g) Ni-K, (h) Mo-L。

图3. 变形的MC碳化物的结构信息。(a)显示晶粒内部的MC碳化物的明镜图像，以及MC碳化物中存在的缺陷。(b,e,f) 分别沿[010]MC、[110]MC和[111]MC获得的MC碳化物的SAED图案。(c) 与(b)相对应的示意图，其中红色和蓝色斑点分别表示来自MC和M₂₃C₆的反射。(d) ADF图像显示M23C6沿着MC内部的缺陷沉淀。

图4. M₂₃C₆/MC界面的原子尺度表征。沿（a）[010]MC和（b）[110]MC区轴的高分辨率HAADF图像显示了M₂₃C₆和MC碳化物之间不同的界面结构。(c)和(d)分别说明了M₂₃C₆（蓝点）和MC（黄点）沿[010]MC和[110]MC区轴的重合点（仅考虑金属原子点）。

图5.MC碳化物缺陷的识别。具有操作反射（a）200，（b）202，（c）002，（d）111，（e）220和（f）111的蠕变变形后高温合金基体内MC碳化物缺陷的亮长图像。

图6. MC中缺陷的原子尺度表征。沿着[110]拍摄的高分辨率HAADF图像显示了蠕变试样中MC内部的缺陷区域的结构。两个典型的缺陷区域（a-b）和相关的局部放大的图像（c-d）被展示出来。

图7.(a)沿样品法线方向的反极图(IPF)和(b)铸态合金的MC和基质的极图。(c)和(d)分别显示蠕变合金的MC和基体的IPF图和极图。X0和Z0分别代表样品的加载方向和法向

图8. 沿着[100]_matrix带轴观察铸态样品的MC和矩阵之间的界面。(a)和(b)高分辨率图像分别显示了平坦的(001)MC(111)_matrix界面和一个不平坦的界面。(b)中插入的快速傅里叶变换(FFT)图案表明(001)MC//(111)_matrix。(c)和(d)显示了MC的缺陷和框架区域的反快速傅里叶变换（iFFT）图案

图9. 凝聚能随位错核心处的Cr偏析变化。(a) 围绕TiC中位错核心的Cr原子偏析的内聚能。(b-d)TiC中上层混合位错核心附近零（b）、一（c）和二（d）个替代Cr原子（最大原子半径）隔离的松弛原子集合（其中C和Ti原子具有最小和中等半径）。

图10.(a) BF图像显示断裂的MC的形态。(b)中显示了(a)中框架区域的局部放大图像。(c) BSE图像显示了在蠕变样品中沿(001)MC平面的MC碳化物的元素不均匀区域，σ表示加载方向。(d)假设MC碳化物与加载轴线倾斜约45^◦，MC碳化物的局部应力状态说明。

图11. (a)MC的33个晶胞变成(b)M₂₃C₆的一个晶胞的说明。为了提高可读性，(a)中只显示了MC的32个晶胞，C原子被染成灰色，并以更小的半径显示。

图12. MC的变形和断裂。(a) BF图像显示沿着MC和基体之间的界面积累的位错。(b)和(c)BF和ADF图像分别显示了界面上形成的台阶和MC碳化物的断裂。(d) 背散射电子图像显示了MC碳化物的裂纹开始。

总而言之，尽管到目前为止，人们对超合金中的碳化物分解已经给予了很多关注，但其原子尺度的信息是新的。通过详细的TEM分析，首次以高空间分辨率研究了蠕变后多晶超合金中MC碳化物的内部分解行为。过渡金属元素的不均匀分布和退化产物M₂₃C₆已被证实。其机制可以解释为位错的攀升导致Cr、Co、Ni沿位错路径偏析，随后促进M₂₃C₆在MC内部析出。此外，显示出碳化物的塑性变形能力，以释放界面上的局部应力。重要的是，M₂₃C₆/MC界面的脱粘将使裂纹在蠕变试样中开始出现。因此，MC碳化物的内部分解可能导致内部微裂纹的传播。为了改善超耐热合金的蠕变性能，应该仔细控制碳化物的变形和分解。（文：SSC）

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