鎳基高溫合金因其具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片。盡管在鎳基單晶（Ni-SX）高溫合金的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，已經(jīng)排除了晶界對(duì)合金性能的影響，但合金組織的失效行為仍然很復(fù)雜，涉及到許多微觀效應(yīng)，其中之一是受基體擴(kuò)散控制的γ?相的粗化行為。大量實(shí)驗(yàn)表明，錸（Re）的添加顯著降低了γ?粗化動(dòng)力學(xué)。但是，對(duì)其反應(yīng)機(jī)理的看法卻不盡相同。大多數(shù)研究表明，Re的添加降低了合金元素的有效擴(kuò)散系數(shù)，從而提高了合金的高溫穩(wěn)定性并有效地阻止了γ?粗化。 然而，一些人認(rèn)為γ基體中其他溶質(zhì)元素的擴(kuò)散率幾乎不受Re添加的影響。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)熱處理和/或熱暴露過程中Re的作用，研究者們使用了更先進(jìn)的三維原子探針斷層掃描技術(shù)（APT）研究了RR3000合金，發(fā)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)γ/γ?界面都存在Re偏析。通過研究CMSX-4合金中Re的分布，將Re偏析歸因于：γ?相固溶體在冷卻過程中逐漸減少，Re原子從γ?相中排出，并由于其擴(kuò)散速度慢而在界面處堆積，形成再偏析。因此，隨著溫度的升高，由于Re原子的擴(kuò)散增強(qiáng)和γ/γ?界面的遷移，界面處Re的偏析應(yīng)降低甚至消失。然而，APT結(jié)果表明，熱暴露后的DD91 Ni-SX高溫合金的界面處仍發(fā)現(xiàn)了顯著的Re偏析。因此，Re在γ/γ?界面處的偏析機(jī)制仍不清楚，仍需要進(jìn)一步研究和探索。

近日，西北工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的相關(guān)團(tuán)隊(duì)深入研究了完全熱處理后的Ni-SX高溫合金在長(zhǎng)期時(shí)效過程中，Re在γ/γ?界面處偏析的形成機(jī)制。他們通過配合使用透射電子顯微鏡（TEM）和原子探針斷層掃描（APT），成功地確定了γ/γ?界面處的Re偏析現(xiàn)象以及長(zhǎng)期時(shí)效過程中Re與γ?粗化的相互作用。相關(guān)成果以“Unveiling the Re segregation at γ/γ′  interface in Ni-based superalloy”為題發(fā)表在期刊Scripta Materialia上，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)黃太文教授。

該工作所用Ni-SX高溫合金成分為：Ni-10Cr-9Co-0.5Mo-4W-4.3Al-2.5Ti-2Re-5Ta（wt.%）。單晶合金錠沿[001]方向定向凝固，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理：1240℃/2h + 1260℃/4h + 1265℃/2h，空冷；1130°C/4h，空冷；870°C/20h，空冷。然后分別在900℃和1000℃下進(jìn)行2000h等溫時(shí)效處理，并空冷至室溫。圖1（a）顯示了標(biāo)準(zhǔn)熱處理（standard heat treatment, SHT）后合金的顯微組織，圖1（b）和（c）分別為在900℃和1000℃下長(zhǎng)期時(shí)效（long-term aging treatment, LTAT）2000h后的顯微組織圖，分別標(biāo)記為LTAT900和LTAT1000?？梢郧宄赜^察到γ?尺寸隨溫度升高而顯著增加。γ?的尺寸分別為0.41，0.68和1.21μm對(duì)SHT，LTAT900和LTAT1000處理后，對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)分別為57.6%，51.2%和48.1%。

圖1 （a）TEM顯示的SHT后的顯微組織（沿[100]軸）；（b）900℃和（c）1000℃下時(shí)效2000小時(shí)的TEM顯微照片

LTAT1000試樣的APT重建如圖2所示。Al和Cr的分布分別以紅色和藍(lán)色點(diǎn)顯示在圖2（a）中。由于Al和Cr分別在γ?和γ相中強(qiáng)烈富集，因此將Al和Cr的富集區(qū)視為γ?和γ相。γ/γ?界面的特征在15 at.% Cr成分表面，如圖 2（b）所示。圖2（c）顯示了相應(yīng)的Re二維分布。圖2（d）表明了Re在γ/γ?界面的一維成分分布?？梢钥闯觯?/span>Re在界面附近的γ基體中富集。

圖2 （a）LTAT1000針尖試樣的APT重建；（b）與Cr 15 at.%同構(gòu)表面的γ/γ?界面；（c）相應(yīng)的Re成分2D剖面圖；（d）γ/γ?界面上Re的一維成分分布圖

為了更深入地研究γ/γ?界面的元素分布，分析了不同熱處理試樣（即 SHT、LTAT900和LTAT1000）在γ/γ?界面處的Re和Ta濃度分布情況。如圖3（a）和（b）所示，Re偏析僅在LTAT1000中發(fā)現(xiàn)，如紅色圓圈所示，SHT和LTAT900試樣中的Re在γ/γ?界面沒有明顯偏析。此外，Ta在界面處的損耗更嚴(yán)重，形成了Ta的貧化，如藍(lán)色圓圈所示。圖 3（c）顯示了合金元素在γ和γ?相之間分配情況，Cr、Co、Mo、Re優(yōu)先分配到γ基體中（k_i < 1），而Al、Ti、Ta優(yōu)先分配到γ?相中（k_i > 1）。因此，長(zhǎng)期時(shí)效處理過程中，Cr、Co、Mo、

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