導讀：拓撲密堆積（TCP）相通常在鎳基高溫合金中形成，在使用過程中具有高難熔元素，它們不利于高溫合金的高溫性能。本文研究了鎳基單晶中的 TCP 相析出。在熱機械疲勞變形下添加或不添加 Ru 的高溫合金。觀察到不同{111}平面上的變形孿晶相互交叉并形成大量高角度邊界。這些大角度晶界的結構與拓撲密堆積的σ相高度相似，晶界富含Re、Ru、Co和Cr，為σ相的形成提供了結構起源和組成元素。Ru在TCP相和基體之間強烈偏析為半共格和非共格界面，這降低了界面能并導致TCP相析出物形態發生顯著變化。這些結果提供了對晶格缺陷影響的洞察力和共同演化化學在高溫合金中 TCP 相的形成，并闡明一般合金中的不均勻沉淀。

鎳基單晶 高溫合金由于其優異的高溫力學性能被廣泛用于渦輪發動機葉片。鎳基高溫合金的高溫強度很大程度上取決于難熔元素，尤其是 Re，作為有效的固溶強化劑，這也顯著提高了高溫合金的抗蠕變性。然而，Re 添加提高了高溫合金在長期高溫暴露后形成脆性和有害拓撲密堆積 (TCP) 相的敏感性。使用期間的 TCP 相沉淀會耗盡基體中的強化元素，從而降低對合金的強化效果。更關鍵的是，TCP 相析出物會分層，從而成為斷裂的起始點。TCP 相是金屬間化合物富含Cr、Co、W、Mo、Re等過渡金屬。由于其復雜的晶體結構，在鎳基高溫合金中形成了多種 TCP 相。最常見的是 σ、μ 和 P 相。

對長期相穩定性的需求導致在最新一代鎳基高溫合金中添加 Ru，因為發現添加 Ru 可有效抑制 TCP 相的形成。已經為 Ru 效應提出了幾種可能的機制，例如 γ/γ' 微結構中的反向元素分配、減少 γ' 體積含量和 TCP/基質界面能的變化。然而，由于 TCP 相析出物在早期階段非常小，并且會隨著合金成分的變化而顯著變化，因此非常需要了解 Ru 添加對 TCP 相成核的影響，特別是在高溫合金的使用條件。特別是，熱機械疲勞 (TMF) 是一種綜合了應變和溫度效應的復雜變形過程，被認為是最接近渦輪葉片實際使用條件的變形方法。

因此，TCP 相如何在工程材料的工作條件下成核和生長是一個深入研究的主題。在此，在 Ni 基單晶高溫合金的熱機械疲勞試驗期間，在孿晶相交處觀察到 σ 相的析出。透射電子顯微鏡(TEM) 揭示了化學和晶格缺陷對 σ 相形成的相互作用，尤其是像差校正的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM) 和原子分辨率能量色散 X 射線光譜 (EDS)。這些結果提供了對晶格缺陷和共演化化學對 TCP 相成核和生長的影響的洞察，也將有助于理解工程材料中第二相的非均勻成核。

基于此，中國科學院金屬研究所杜奎教授團隊研究發現，在鎳基單晶高溫合金的熱機械疲勞變形過程中，約 40 小時后，孿晶相交處形成了大量 σ 相析出物。Σ9晶界在孿晶相交處形成，這些高角度晶界富含Re、Ru、Co和Cr，從而為σ相的形核提供了構成元素。同時，Σ9邊界由結構單元 |E 1 E 1組成P|，與σ相的結構高度相似，因此它們也提供了成核的結構起源。溶質偏析和高角邊界結構之間的相互作用促進了σ相的形核和生長。Ru顯示偏析特別是TCP相和基體之間的半共格和非共格界面，因此Ru偏析降低了那里的界面能并導致沉淀物形態的顯著變化。第四代合金中的多面體TCP相有效地避免了應力集中，有助于提高鎳基單晶高溫合金的熱機械疲勞性能。

相關研究成果以題“Interplay of chemistry and deformation-induced defects on facilitating topologically-close-packed phase precipitation in nickel-base superalloys”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422004906

圖 1。(a) 變形的第三代合金樣品的背散射電子的 SEM 圖像，在不同的平面上顯示雙胞胎，用 A、B 和 C 表示。(bc) 觀察到的變形樣品的菊池對比度 (b) 和歐拉角 (c) 圖沿EBSD獲得的 [1-10] 軸。橫向于變形帶（b 中的插圖）的錯誤取向剖面對應于（b）中紅色和黑色箭頭表示的方向。(d, e) 顯示變形結構的二次電子圖像第三代合金樣品縱向截面的斷裂面積和 (f, g) 對應的 Re 和 Cr 元素 EDS 圖。(h) 顯示第四代合金樣品縱向截面斷裂區域變形結構的二次電子圖像。(i) SEM 圖像和 (j, k, l) 對應的 Re、Cr 和 Ru 元素 EDS 圖，從第四代合金樣品中的孿生交叉區域獲得。

圖 2。(a) 第三代合金斷口的 SEM 圖像。(bc) 第三代合金斷面的背散射電子高倍掃描電鏡圖像。(d) 通過 EDS 分析從 (b) 中黃色虛線框勾勒的區域獲得的 Cr 和 Re 元素圖。(e) 第四代合金斷口的 SEM 圖像。(fg) 第四代合金斷面的背散射電子高倍 SEM 圖像。(h) 通過 EDS 分析從 (f) 中黃色虛線框勾勒的區域獲得的 Cr、Re 和 Ru 元素圖。

圖 3。(a) 在第三代合金中發生再結晶的孿晶相交處形成的 TCP 相的 SEM 圖像和 EDS 圖。(b) 第三代合金中直接在孿晶交叉處形成的 TCP 相的 SEM 圖像和 EDS 圖。

圖 4。變形樣品中雙相交點的TEM圖像。(a, d) 沿 [1-10] 區域軸觀察的變形孿晶的明場 TEM 圖像。（bc，ef）雙胞胎 A 和 B 的暗場 TEM 圖像和相應的SAED圖案（插圖）。雙胞胎 A 和 B 在暗場圖像中由黃色箭頭勾勒出輪廓。TCP 相由紅色橢圓勾勒，RX 代表重結晶。

圖 5。(a) 再結晶區域的明場TEM圖像。TCP相的沉淀顆粒用紅色箭頭表示。(b) 沉淀顆粒的 HAADF-STEM 圖像和 EDS 分析。(cd) 分別沿 [110] 和 [410] 區域軸觀察的 TCP 相的 HAADF-STEM 圖像。沿 [110] (c) 和 [410] (d) 軸的模擬 HAADF-STEM 圖像顯示為由白色虛線框勾勒的插圖。(ef)從傅里葉變換獲得的沿 [110] (e) 和 [410] (f) 區域軸的 HAADF-STEM 圖像的功率譜。（gh）沿[110]（g）和[410]（h）軸的σ相模擬電子衍射圖。

圖 6。(a) 第三代高溫合金中典型孿生交叉區域的 HAADF-STEM 圖像。雙相交區域的示意圖顯示為插圖。(be)從雙胞胎 A (b)、σ 相 (c)、雙胞胎 B (d) 以及雙胞胎 A、σ 相和雙胞胎 B (e) 的 HAADF-STEM 圖像的傅里葉變換獲得的功率譜。

圖 7。(a) 第四代高溫合金中典型孿生交叉區域的 HAADF-STEM 圖像。雙相交區域的示意圖顯示為插圖。(be)從雙胞胎 A (b)、σ 相 (c)、雙胞胎 B (d) 單獨和所有雙胞胎 A、σ 相、雙胞胎 B (e) 獲得的功率譜。

圖 8。(a) 由孿生相交引起的 Σ9 附近邊界的實驗 HAADF-STEM 圖像。表示邊界的結構單元。(b) Σ9{111} 晶界附近的松弛晶界，結構單元為 E 1 E 1 P 從第一性原理計算獲得。(c) P型結構單元中的Ni原子被Re或Ru原子取代。原子的取代能（單位：eV/原子）被標記。(d) P 型結構單元中 Re（藍色）和 Ru（青色）取代的 COHP 鍵合分析。

圖 9。雙相交點處 σ 相粒子的 HAADF-STEM 圖像和區域的 EDS 映射。(ad) 第三代合金中的σ相顆粒。(ej) 第四代合金中的σ相粒子。(km) Re/Ru和Cr/Co在不同區域（γ′、γ、σ/基體界面、σ相）的相關性，各個元素的含量由各自的EDS圖確定。γ′、γ和σ相中元素Cr、Co、Re和Ru之間關系的線性擬合值和相關系數列于表S7和S8中。

圖 10。(a) HAADF-STEM 圖像顯示第三代合金中雙相交處的 Σ9{111} 邊界。紅色和青色框表示獲得 (e, f) 中的 EDS 光譜的位置。(bd) HAADF-STEM 圖像和取自 Σ9{111} 邊界的 Co、Cr 和 Re 元素圖的疊加。（e，f）來自 Σ9{111} 邊界（紅色框）及其相鄰 γ′ 相（青色框）的 EDS 光譜。(g, h) 從 Σ9{111} 邊界的相應 EDS 圖確定的元素分數的線剖面。

圖 11。(a) HAADF-STEM 圖像顯示第四代合金中孿晶交叉處的 Σ9{111} 邊界。紅色和青色框表示獲得 (d, g) 中的 EDS 光譜的位置。(bc, ef) 從 Σ9{111} 邊界獲取的 HAADF-STEM 圖像和 Co、Cr、Ru 和 Re 元素圖的疊加。(d, g) Σ9{111} 邊界（紅色框）及其相鄰 γ' 相（青色框）的 EDS 光譜。(h, i) 從 Σ9{111} 邊界的相應 EDS 圖確定的元素分數的線剖面。

圖 12。(a) 沿 [001] σ軸觀察的 σ 相的原子結構。(b) 重疊的紅色和藍色六邊形與中心橙色球體相結合，說明了 σ 相的特征結構。(c) 沿 [110] σ軸的 σ 相的側視圖。(d) 沿 [001] σ軸的 σ 相俯視圖， σ 相 (Cr 2 Re 3 ) 的鍵長為 248，Cr-Re 鍵為 263 pm，Cr-Cr 鍵為 254 pm。(e) Σ9{111} 邊界沿[1-10] γ軸的側視圖和 (f) 示意圖，綠色球體表示孿晶 B 側的原子，黃色和紫色球體表示孿晶 A 側的原子. (g) {111} B的側視圖沿 [1-10] γ軸觀察的孿晶 B 和 σ 相之間的相干界面和 (h) 示意圖，以及 (i) 沿 σ 相的 [001] σ軸觀察的界面頂視圖（也是 [ 1-10] γ軸），其中{111} B中Ni原子之間的距離為L 1 : 249, L 2 : 249, L 3 : 249, L 4 : 249, L 5 : 249, L 6 : 249 pm。