长期老化过程中高温合金DD5的拓扑密堆相的析出行为

抽象

研究了双晶DD5高温合金中拓扑紧密相(TCP)的析出行为。结果表明:[001]晶粒的取向与相邻晶粒的取向一致;但是，类针状TCP阶段的方向与类针状TCP阶段的方向不一致相信道。针状TCP相和之间的角度相信道是45°，但在相邻的晶粒的针状TCP相之间的角度等于相邻的晶粒的取向误差。此外，长期老化期间，针状TCP相逐渐分解并转化成球状，短棒状相。该TCP相的枝晶优先沉淀。它难以在枝晶间/晶界，这是由TCP相的枝晶的构成元素的偏析引起的沉淀。

1.简介

高温合金是一种高合金化的铁基，镍基，或钴基的金属材料，其能承受600℃以上的大复杂应力，具有一定的表面稳定性1]。镍基单晶超合金已被广泛地用作喷气发动机和工业燃气涡轮机叶片。为了不断提高高温抗蠕变性，越来越多的耐火元件已被添加到超合金。目前，已知的耐火元素如铬，钼，W和Re是良好的抗蠕变-强化元素。特别是，再识别为具有突出的强化效果的合金元素。然而，加入过量的耐火元件将显著降低合金结构的稳定性。

在高温合金中加入过量的合金元素，如Cr、Mo、W、Re等，会导致金属间相析出，这些金属间相具有复杂的晶体结构，在长期的热暴露或服役过程中富含这些难熔元素。由于其特殊的密集结构，这些阶段通常被称为拓扑紧密封装(TCP)阶段[2]。的Ni基单晶超合金的TCP相是 ， ，P，和R [3，4]。人们普遍接受的是，TCP相将恶化合金的蠕变性能。因此，如何避免TCP相的析出是合金设计的一个重要方面。只有更多地了解沉淀规则和TCP阶段的特点，我们可避免TCP相的析出合理有效，从而更好地优化合金设计。

弗兰克和卡斯帕[五，6]首先研究TCP相的晶体结构特性和通过配位，其特征在于多面体的TCP相。这些所谓的卡斯帕多面体具有等边三角形的表面和12四个原子的配位数，14，15，和16，但在实践中，多面体的表面经常从正三角形偏离[2]。TCP相位的结构由并排排列的五边形或六边形反棱镜组成。反棱镜通常可以看作是一些简单的结构单元，利用这些结构单元来描述TCP阶段的结构将大大简化分析过程[7-9]。

在过去的几十年中，的析出行为相位已被广泛研究[10-15]。许多结构上的缺陷已经在被发现在一些高温合金或金属间化合物，如堆垛层错，双频段，微孪晶，和第二阶段的共生[相11-13，16-18]。然而，在P相和R相[的详细析出行为一点工作3，18-21]。

本文对第二代镍基高温合金DD5中的TCP相进行了研究，发现并总结了TCP相的析出和演化过程。这为进一步了解镍基单晶高温合金中TCP相的析出行为和特征提供了依据。

2。材料和方法

第二代单晶超合金DD5在这项工作中使用。所述超合金DD5的化学组成列于表1。所述DD5超合金通过定向凝固和幼苗，以便消除晶界和结晶取向上的TCP相的效应产生的。为了确保枝晶生长和热梯度的方向是一致的，两粒种子的[001]方向对准被于生长方向。[010]的晶界间角度/ [100] 2个种子的方向为约20°。由于种子的[001]方向平行于种子的初级枝晶和所述[010] / [100]晶种的方向平行于种子的二次枝晶中，两个种子的初级枝晶平行于彼此并且平行于样品轴线。两粒种子的二次枝晶臂之间的角度为约20°。试样的尺寸为在尺寸 。

甲布里奇曼高速率凝固（HRS）炉[22，23]，具有两个热区（上部区域和下部区域）修改，在本研究中使用。陶瓷模型被安装在水冷却铜板中。上部区域和下部区域的温度分别为1480℃，1580℃，分别。该master alloy ingot was heated to 1580°C and kept at the temperature for 5 min. Subsequently, the molten alloy was poured into the preheated mold. To ensure the system to attain a thermal equilibrium, casting samples were directionally solidified after 10 min of the pouring and pulled down in a withdrawal speed of 6 mm/min. When the temperature of the casting samples dropped to room temperature, the ceramic shell was broken and the bicrystal DD5 samples were taken out.

为了确定双晶DD5的晶界的位置，所有样品用HCl和H的混合物macroetched₂Ø₂(volume ratio 5 : 1). Subsequently, the misorientation of the bicrystal DD5 superalloy was examined by the Electron Back Scattered Diffraction (EBSD) technique in a Scanning Electron Microscope (SEM). After microetching in a mixture of 100 ml HCl, 100 ml H₂Ø，五 ml H₂所以₄，和2 g CuSO₄，使用光学显微镜（OM）中观察到的树枝状晶体结构。最后，由SEM观察到的TCP相。角（针状TCP）两个晶粒之间的相位是由图片-PRO加的分析软件来测量。

为了研究铸DD5的元素偏析，在枝晶和枝晶间各化学元素的浓度通过电子探针显微分析仪（EPMA）测量三次。然后，这三个测量的平均值作为。偏析比例为每枝晶元件的枝晶间由分割的平均浓度。

该vacuum heat treatment of the bicrystal DD5 was as follows: 1310°C/2 h, air cooling; 1130°C/4 h, air cooling; and 900°C/16 h, air cooling. The long-term aging was 950°C for 100 h, 500 h, 1000 h, and 2000 h.

3.结果和讨论

的铸作为双晶DD5横截面显微组织示于图图1（a）。这是典型的<001>方向的晶粒1和晶粒2的树突状结构，而晶间区域的“白相”为 共晶。两粒之间的白色虚线是晶界。两侧二次枝状枝状臂与晶界的夹角约为21°。

的铸态DD5真空热处理后的横截面显微组织示于图图1（b）。在晶粒1和2中，白色信道是相而黑色立方体阶段是相。该 共晶在晶界已经完全消失，并且不规则块状黑阶段出现。值得注意的是白色的方向在各晶粒相是与图的二次枝晶臂的一致图1（a），两个晶粒之间的角度为约21°。换言之，使相邻的晶粒的[001]结晶取向是相同的条件下，相邻晶粒的相位信道之间的角度是与相邻的晶粒的二次枝晶臂之间是一致的。

在图两个晶粒的取向差精确1如图所示2。这两种颗粒的精确定位误差是21°。这与从图中得到的结论是一致的1。当相邻晶粒的[001]结晶取向是相同的，两个相邻的晶粒的方位差是等于之间的角度两个相邻的晶粒的相位通道和两个相邻的晶粒的二次枝晶臂之间的角度。

数字3presents the morphologies of the TCP phase that precipitated in the bicrystal superalloy during long-term aging at 950°C for 1000 h. As is shown in Figure图3（a），几乎没有TCP相在晶界，和大量针状TCP相平行或垂直于所述枝晶彼此的沉淀物。针状TCP相沿着{111}晶面的<110>晶向沉淀，并且它们彼此是平行或垂直于{001}晶面。此外，两个相邻的晶粒的针状TCP相之间的角度为约21°。这与图的结果相一致2。然而，针状TCP相的方向不与一贯的相信道，但在45°的角度°，如在图中所示图3（b）。该TCP相是针状，短棒状，粒状，如示于图图3（b）。有更大的MC碳化物和小球状的TCP相在晶界上。

数字4礼物，长期在950℃下老化过程中沉淀出近晶界的TCP相的形态。After aging for 100 h, there is no any TCP phase that precipitated at the dendrites and grain boundary, and there is a large piece of the irregular相在晶界，如图图4（a）。After aging for 500 h, there is a small amount of needle-like TCP phases parallel or perpendicular to each other and small granular TCP at the dendrite, and there is no TCP phase that precipitated at the grain boundary, as shown in Figure图4（b）。时效1000 h后，在枝晶处出现大量相互垂直的针状TCP相和大颗粒TCP，大量碳化物开始在晶界处析出，如图所示图4（c）。After aging for 2000 h, the needle-like TCP phase at the dendrite decomposes into granular and short rod-like phases, as shown in Figure图4（d）。

数字五表明，长期在950℃下老化过程中沉淀在枝晶的TCP相的形态。After aging for 100 h, there is no TCP phase that precipitated in the dendrite trunk, only the black阶段和白色相位，如图图5（a），这是与图的低放大倍数的一致图4（a）。After aging for 500 h, needle-like, granular, and short rod-like TCP phases precipitate at the dendrite trunk as shown in Figure图5（b）。然而，粒状，短棒状TCP相太小可以清楚地看到;仅针状TCP相可以在图中看到的图4（b）。After aging for 1000 h, the needle-like TCP phases begin to decompose and transform into granular and short rod-like ones, as shown in Figure5 (c)。然而，在低放大倍数（图图4（c）），颗粒状和短棒状TCP相太小可以清楚地看到;只有针状TCP相就可以看出。After aging for 2000 h, as shown in Figure图5（d），几乎所有的针状TCP相分解成粒状，短棒状酮，这是与图的低放大倍数的一致图4（d）。

它可以从图中导出4和五即随着时效时间的TCP相变粗糙。这种现象类似于以前的调查[24，25]。针状TCP相先粗化，然后分解。粒状TCP变粗，然后再分支。

从图中推断出4该TCP相优先沉淀在树突主干，但难以在枝晶间/晶界沉淀。这是由TCP相的构成元素的偏析而引起的。该TCP相的化学组成是由铬，钼，W和Re组成。对于含有重超合金，该TCP相通常具有的Re的高含量。铸态DD5超合金的元件隔离在图中所示6。Re和W的偏析比是分别为2.6和1.9。Cr和Mo偏析比为0.9和0.8，分别，这是接近1 W的枝晶偏析和Re是严重的，而Cr和Mo的枝晶间偏析不如激烈与用于W和再。另外，TCP相所含的回复，所以TCP相在枝晶主干优先沉淀。

4。结论

（1）当两个相邻的晶粒的[001]结晶取向是相同的，在相邻的晶粒的方位差是不仅之间的角度两个相邻晶粒间的相位通道也是两个相邻晶粒间的二次枝晶臂间的夹角。尽管针状TCP阶段的方向与类针状TCP阶段的方向不一致相信道，但在45°的角度°，两个相邻的晶粒的针状TCP相的角等于两个相邻的晶粒的方位差（2）在长期老化的过程中，针状TCP相逐渐分解并变换成粒状，短棒状那些（3）该TCP相的枝晶优先沉淀，但它难以沉淀在枝晶间/晶界，这是由TCP相的枝晶的构成元素的偏析而引起

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

的利益冲突

作者宣称，他们没有竞争的利益。

致谢

这项工作是由宁夏重点研究发展计划（2018BEE03017，2019BDE03016），宁夏自然科学基金（2018AAC03250），以及青年科技宁夏科技人才资源推广项目（TJGC2019048）的支持。

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