GH36合金中M23C6、VC的界面结构

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.04.026 北京钢铁学院学报 第10卷第4期 Journal of Beijing University Vol,10 No.4 1988年10月 of Iron and Steel Technology 0ct.1988 GH36合金中MC、VC的界面结构 苗柏和谢锡善 (材料科学与工程系) 拥要使用透射电镜现察了GH36合金中M2,C:、VC碳化物和基体之间的界面结 构，在M2,C,/y的半共格界面上分布有错配位错列，间距约10nm。根据g·b=0判据， 可以确定该位错的Burgers vector b=a/2(110),VC/y的相界面是具有很大点陈 错配度(6=+0.155)的共格界面。最后，从M2C。、VC和基体之间的不同界面结构与 性质付论了以碳化物沉淀为主要强化手段的F基GH36合金的强韧化本质以及如何识别波 纹图(Moire pattern)和界面位错的向题。 关键词高温合金，透射电子显微术，界面，错配，位错；被纹图 Interfacial Structure of M2s Ce/Y and VC/Y in GH36 Superalloys Miao Baihe Xie Xishan ABSTRACT:A TEM study on the interfacial structure of M23 Cs/y and VC/y precipitated in GH36 superalloys was conducted.The misfit dislocation distri- bution has been clearly observed at the semi-coherent interfaces of M23 Co/y, a single array along the broadfaces at both sides with Burgers Vector a/2 y and spaced about 10 nm apart.It has been shown circular strain field constrast around the very fine dispersive vC particles of 3 to 12nm or so in size.In addition,strengthening mechanism of Ma3Cs and VC precipitated in GH36 superalloy,and how to identify the moire pattern or interfacial dislo- cations by TEM,were also discussed. KEY WORDS:superalloys,TEM,interface,mismatching,dislocation;moire pattern 1987一09一09收稿 434

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 合金 中 、 的界面结构 苗柏和 谢锡善 材料 科学 与工 程 系 搁 耍 使用透射电镜观寮了 合金中 、 碳化物和 基体之 间的 界面 结 构 ， 在 ，的半共格界面上分布有错配位错列 ， 间距 约 。 根据 · 二 。 判 据 ， 可 以 确定该位错的 ， 二 ，， ， 的相界面是具有很大点 陈 错 配 度 ‘ 二 。 的 共格界面 。 最后 ， 从 、 和 基体之间的不 同界面结构与 性 质讨论 了 以 碳 化 物 沉淀为 主 要 强 化手段 的 基 合金的强韧化本质以及如何识 别波 纹 图 和 界 面位 错的 向题 。 关趁 词 高温 合金 ， 透射 电子显微术 ， 界面 ， 错配 ， 位错， 波纹 图 过 。 叮 万 汀 ‘ ” 。 一 ‘ ， · 由 了 ， 斑 ‘ ， 一 ， ， ， ， ， 一 ，一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．04．026

晶界M23C。碳化物的析出不仅能引起高铬奥氏体钢的晶间腐蚀，而且对许多重要的 工业合金的机械性能有很大的影响。因此，从50年代起，人们相继对M2C。碳化物的形 态、形核地点【1、1、惯析面、长大方向【3、1，M2C。与合金基体之间的晶体学取向关系等 进行了大量的研究。【5、]到60年代后期，对M2C。与合金基体间的界面结构也做了一些 观案和分析。但是，在分析M2sC。/y的界面结构时，容易将界面位错与M2,C。/y间的平行 波纹图相混淆，对此，应倍加小心。 本工作侧重下述问题： (I)弄请M2aC。/y的界面结构，即错配位错的形态、分布、Burgers Vectors及位错 间距； (2)如何识别M23C。/y界面位错还是平行波纹图条纹， (3)VC/y的界面结构， (4)从M2sC。/Y和VC/y界面结构和性质进一步分析铁基GH36高温合金的强韧化本 质。 实 验 1.1实验用合盘 本工作选用2种有代表性的合金，见表1。 表1试验用合金的化学成分，Wt% Table 1 Chemical composition of alloys,wt% 合金C Si Mn Cr Ni Mo V Nb Mg A0.380.538.970.0030.02 12.787,741.291.520.28- B0.370.508.750.00080.02212.548.231.271.340.340.36 0.0033 1.2合金热处理 合金A、B热处理工艺相同，即：1130±10°C/3h水冷+660±5°C/14h空冷+750± 5°C/10h空冷 1.3薄膜样品制备和观条 将热处理后的试料用钼丝切割成厚度约0,2mm的薄片，在水砂纸上双面研磨，减薄至 30~404m厚，最后经双喷电解减薄，电解液为10%过氯酸+乙醇，温度为-20~-30°C。 薄膜样品在装有双倾样品台的EM400T和H-800型透射电镜上观察Mz,C。/y和VC/的y界 面结构。 2结 果 2,1合金的力学性能及显徽组织 2种合金经过热处理后的力学性能列于表2， 435

晶界 。 。 碳化物的析出不仅 能引起高铬奥氏体钢的 晶间腐蚀 ， 而且 对 许 多 重 要 的 工业 合金的机械性能有很大的影响 。 因此 ， 从 年代 起 ， 人们相继对 ， 。 碳 化 物 的 形 态 、 形核地点 【 ‘ 、 ’ 、 惯析面 、 长大方 向 〔 、 ‘ ， 。 与合金基体 之间的 晶体学取向关 系等 进行 了大量 的研究 。 【 ’ 、 。 〕 到 年代后期 ， 对 。 与合金 基体 间的界面结 构也做 了一 些 观 察和 分析 。 但是 ， 在分析 。 ， 的界面结构时 ， 容 易将界面位错与 。 间的平行 波纹 图相混 淆 ， 对此 ， 应倍加小心 。 本工作侧 重下述 问题 弄 清 。 丫 的界面结 构 ， 即错配 位错的形 态 、 分布 、 及 位 错 间距 ， 如何识别 。 护 界面位错还是平行波纹 图条纹 ， 护 的界面结构， 从 八 ， 和 丫 界面结构和性质进一步分析铁基 高温合金的强韧化本 质 。 实 验 。 实验 用合盘 本工作选用 种有代表性的合金 ， 见表 。 亥 试 脸用合金 的化学成分 ， ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 合金 热处 理 合金 、 热处 理工艺相 同 ， 即 一 士 水 冷 土 八 空 冷 土 八 空冷 。 薄腆徉晶 制备和观察 将热处 理后的试料 用铂丝切割成厚度约 。 的薄片 ， 在水砂纸上双 面研磨 ， 减薄 至 拼 厚 ， 最后经双喷电解减薄 ， 电解液 为 过氛酸 乙醇 ， 温度为 一 一 。 薄膜样品 在装有双 倾样品 台的 和 一 型透射 电镜上 观 察 丫 和 的 界 面结 构 。 结 果 。 合金 的力 学性能 及 显徽组织 名种合金经过热处 理 后的力学性能列于表

表2试验合金的力学性能 Table 2 Mechanical properties of alloys 力学性能（室温） 持久性能，光滑试样650℃ 金 GPa G 0% HB 寿命 % mm 101.5 72.5 21.2 37.8 3.45 108.58 3.2 8.57 101.072.2 21.0 36.5 3.40 55.17 3.2 12,34 107.878.4 25,0 40.6 3.50 604 11,2 36,0 107.481.0 21,8 40.8 3.50 792 10.0 26,04 58m 图1合金A、B的显微组织 Fig.1 Microstructures of alloys 从表2可以看到两合金室温力学性能相近，650°C持久性能合金B优于合金A。 两合金的显微组织基本相似，见图1。除合金基体Y外，有均匀分布的VC和条块状的 M2C。分布于晶界和晶内，合金B中晶界块状M23C。较多。此外，两合金都有少量的NbC。 2.2M2,C。、VC与合金善体的品体学关系 M2,C。、VC与基体有简单的平行位向关系， [001]M23cg//[001]Vc//[001]r, (200)M2sC。/(200)VC//(200), (111)M23c8/(111)VC/(111)y。 M2,C。、VC的惯析面为{111}y,生长方向大部分平行于y,也有少数M2C。长 度方向平行Y。 2.3M23Cg/y界面结构 图2是一组M2C。界面位错的双束动力学BF象。从图2(a)9s1:BF可见沿M:,C。长 度方向两侧界面分布的错配位错列，平均间距约为10m。在92。BF象中界面位错消失， 见图2(b)。在91i1BF象中原位错线列消失，呈现点状衬度，见图2(c)。 根据位错象消尖情况，92，b=0,91i1,6=0可以确定此界面位错的b=a/2 y。 436

亥 试 验合金 的力学性能 五 ， 力学性能 室温 持久 性能 ， 光滑 试样 亡 八 合 金 厅 卜 口 。 寿 命 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 · 、 ’ 、 · 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 图 合 金 月 、 的显 微 组织 犷 争 从 表 可 以看到两合金 室温力学性能相近 ， 持久 性能合金 优于 合金 。 两合金的显微 组织 基 本相似 ， 见 图 。 除合金基体 外 ， 有均匀分布 的 和 条块状的 分布于 晶界和 晶 内 ， 合金 中晶界块状 。 较多 。 此 外 ，两 合金都有少量的 。 、 与合金 甚体的 晶体学关系 。 、 与基体有简单的平行位向关 系 ， 〕 。 〔 〕 〔 〕 ， ， 。 八 ， ， 一 。 八 ， 。 、 的惯析 面 为 丫 ， 生长 方向大部分 平行 于 ， ， 也 有 少 数 。 长 度方向 平行 ， 。 。 丫 界 面 结构 图 是 一组 界 面位错 的双 束动力 学 象 。 从 图 ， ， 可 见沿 。 长 度方 向两侧 界 面分 布的错配 位错列 ， 平 均间距约 为 。 在 。 象 中界面位错 消 失 ， 见 图 。 在 ， 象 中原位错线 列消失 ， 呈现 点状衬度 ， 见 图 。 ， ， 门、 ‘ ’ ‘ 、 甸 根 据位错象消失情况 ， 。 二 。 ， ， 二 。 可以确定此 界面位错的

1.6um 图2M23C。界面结构 Fig.2 Interfacial structure of MaC (a)9,11BF沿M?:C6长度方向两侧界面排列的不吻合位错，间距约10am, (b)92?。BF两侧不吻合位铅消失， (c)9:了1BF原不吻合位错消失，圆点状衬度是界面平行电子束方向的位铅 2.4M23C。的波纹图和界面位错的区别 图3是M2C。和y基体的平行重叠波纹图，9：。+9BF。波纹图的条纹与工作 倒矢量g111是垂直的，见图3()，而且波纹图上可以看到显示刃位错的半原子面条纹衬度 (箭头指处)，又因为这是9111双束BF,因此该位错应是b=a/3Y。在图3(b)中 31 30nm 30m 图8M2,Cs和基体的平行moire Pattern Fig.8 Parallel Moire pattern of MaaC.and y-matrix (a)9M2C6+91,BP (b)9MC·+9,',BF M236 1.6um 100nm 图4VC界面结构和Moire Pattern象 Fig.4 Interfacc structure and moire pattern of VC (a)VC BF (b)VC和基体的Moire pattern,VC颗粒周围的应力场村度清晰可见 437

耀 劝胡兰‘掩异男渭汉翔 、 命‘ 必砂场升康叨 留田吕角 图 界 面结 构 麟旅严 牛 之 一 翩 。 沿 长度 方向两侧界面排 列的不吻 合位错 ， 向距 约 。 。 ， 了。 两侧不 吻 合位错 消失 ， 又 原 不吻 合位错消失 ， 圆点状衬度是界面平行电子 束方向的位错 。 。 的波 纹 图和界 面位错 的 区别 图 是 。 和 ， 基体的 平行重叠 波纹 图 ， 警批 “ ，叹 · 。 波 纹 图的 条纹 与 工作 倒矢 量 ， ， 是垂 直的 ， 见 图 而 且 波纹 图上可 以看到显示 刃位错的半原 子面条纹衬度 箭头指处 ， 又 因为这是 双 束 ， 因此 该位错 应 是 。 在图 中 图 。 和 基体的平行 一 渊瀚娜赘味拼却…皿葱止 粉 声 少贫 图 界 面 结 构和 象 和基体的 三 ， 顺 拉 周围 的 应 力场衬度演晰可见

由于9111的贡献仍较强，故9111的波纹图仍可见，但93i,的波纹图是更清晰的，而且与 gsi1相垂直。 2.5VC/y界面 图4是VCBF象和VC/y波纹图。在细小的VC颗粒周围，显示出清晰的环形应变场 衬度。 .3讨 论 Beckitt和Clark【2]也普观察到板条状M2,C。沿长度方向两侧界面排布的一组条纹，他 们未予解释。Singhal和Martin【3】曾推测他们所观察到的沿M23C。长度方向上两侧界面 出现的点状村度，可能是平行于电子束方向的界面位错，并假定其b=a/2Y。但是， 我们根据该文中给定的M23C。和基体的点阵参数，点阵错配度8=-0.0137计算得出该界面 错配位错的间距却远小于其实测值，Pumphrey和Edington【4I则认为M2Cg/y界面上的点状 衬度是b=a/3y的错配位错，但又说不能用象消失法来确定位错的Burgers Vectors。 另外他们对晶界M23C。的波纹图中条纹与相应的工作倒矢量不正交的讨论也比较勉强。因 为晶界的M23C。总是与一侧的基体有平行取向关系，而所给出的照片上，并非所有的M23C。 的波纹图都不与工作倒矢量正交，那些不正交的波纹图条纹很可能是取向相近的另一晶粒的 某个g的贡献。 本研究中图3M2sC。长度方向平行于Y,该方向M23C。与y基体界面点阵错配 度为： =2(88;）=2(0:8-8) =-0.017 (1) (I)式中8是错配度，ap是沉淀相M23C。的点阵参数，a,是基体y的点阵参数。 实际测量的界面错配位错平均间距为10m,这相当于每28个基体阵点便引进了一根位错。 而按8=-0.017计算，在M23C。/y界面上每28个基体阵点在方向与M23C。阵点 的错配总量导致点阵畸变量约为1.7A,这和引入a/2y位错后引起的基体点阵平移 1.256A这个数值是非常接近的。至于91ī！的BF象中位错线消失后仍出现点状衬度（一般 认为是平行电子束方向的位错线)，可能和平行于电子束方向的界面处存在某种特殊的位错 组态有关。对此还应进一步观察和分析。另外，为了正确地识别M2C。的界面位错，并使 用g,b=O判据确定Burgers Vectors,建议在样品较厚区域进行观察。而区别位错和波纹 图，主要依靠条纹走向与9的关系和条纹间距，参见图3、图4。 VC/y界面由于两相点阵错配度大， d-2(8+0,）=2(像：18+8：) =0.155 以致VC的共格析出，将引起周围基体很大的点阵畸变，使界面附近存在可观的应变场，见 图4(b)。这种弥散分布于合金基体内的几nm至十几nm的VC颗粒本身很硬，位错不能切过， 只能采用Orowan机制绕过，而且要受到VC周围应力场的阻碍作用，这就是VC沉淀强化 的主要机制。但是由于VC界面点阵错配度大，界面能量高，因此是不稳定的。当VC尺寸 过大时，这种共格关系可能破坏，这就是要避免强化相VC过时效的原因。 43B

由于 的贡献仍较强 ， 故 的波纹 图仍可见 ， 但 。 ， 的波纹图是更清晰的 ， 而且 与 认 相垂直 。 界面 图 是 象和 波纹 图 。 在细小的 颗粒周围 ， 显示 出清晰的环形 应变 场 衬乙度 讨 论 和 【艺’ 也曾观察到板 条状 。 沿长度方向两侧界面排布的 一组条纹 ，他 们未予解释 。 和 〔 ’ 曾推测他们所观 察到的沿 长度方向上两 侧 界 面 出现的点状衬度 ， 可能是平行于 电子 束方 向的界面位错 ， 并假定其 二 。 。 但是 ， 我们根据该文 中给定 的 。 和 基体的点阵参数 ， 点阵错配度 占 一 。 计算得出该界面 错配位错的 间距却远小于其实测值 。 和 〔 ‘ ’ 则认 为 。 界面上 的点状 衬度是了 。 邝 ，的错配位错 ， 但又说不 能 用象消 失法 来确定位错的 。 。 另外他 们 对晶界 。 的 波纹图中条纹 与相 应的 工作倒矢 量不 正交的 讨论也 比较 勉 强 。 因 为晶界的 。 总是与一侧 的基体有平行取向关 系 ， 而 所给 出的照 片上 ，并非所 有的 。 的波纹图都不 与工作倒矢 量正交 ， 那些 不正交的波纹 图条纹很可 能是取向相近的另一晶粒的 某个 的贡献 。 本研究中图 。 长度方向平行于 。 ， 该方向 。 与 ，基体界面点阵错配 度为 “ 一 ， ， ， 一 。 一 。 式 中 占是错配 度 ， 是沉淀相 。 的点 阵参数 ， 。 ， 是 基体 的点阵参数 。 实际测量的界面错配位错平均间距 为 ， 这 相 当于每 个基体阵点 便引进 了一根位错 。 而 按 占 一 。 计算 ， 在 。 护 界面上 每 个基体阵点在 方 向与 ， 。 阵点 的 错配 总量导致点阵畸变量约 为 入 ， 这和引 入 。 丫 位错后引起 的 基体点阵平移 入这个数值是非常接 近的 。 至于 了 的 象 中位错 线消失后仍 出现点状衬度 一般 认 为是 平行电子 束方 向的位错线 ， 可 能和 平行于 电子 束方向的 界面 处存在某种特殊的位错 组 态有关 。 对此还应进一步观察和 分析 。 另外 ， 为了正确地识别 。 的界面位 错 ， 并 使 用了了 。 判据确定 ， 建 议在样品 较厚 区域进行观 察 。 而 区别位错和波 纹 图 ， 主要 依靠条纹走向与 的关 系和条纹 间距 ， 参见 图 、 图峨 。 夕 界面由于两相点阵错配度大 ， ‘ 二 一 ， ， 。 一 。 。 。 二 。 以致 的共格析出 ， 将引起周围基体很大 的点阵畸变 ， 使界面附近存在可观 的 应变 场 ， 见 图 。 这种弥散分布于合金 基体内的几 至十几 的 颗粒 本身很硬 ， 位错不能切过 ， 只能采用 。 机制绕过 ， 而且要受到 周围应力场的阻 碍作用 ， 这就是 沉淀强 化 的主要机制 。 但是 由于 界面点阵错配度大 ， 界面能量高 ， 因此 是不稳定 的 。 当 尺寸 过大时 ， 这 种共格关 系可能破坏 ， 这就是要避免强化相 过时效的原因

M23C。在晶界的析出及其与基体的结合方式，M2C。本身的形态等对合金的力学性能 有着重要的影响。M23C。沿晶界析出，与基体呈半共格关系，界面能较低，也较为稳定。 同时由于晶界M2sC。的析出，晶界附近C、Mo等元素含量减少，又改善了晶界区的塑 性，增强了晶界的燸变变形能力。特别是通过适当热处理促进晶界M23C,析出【]或是加人 少量AI、Mg等元素（合金B)可以进一步改变晶界M2C。的形态，从条状→块状。而加 入Mg后之所以能改变M2,C。的形态，可能与M23C。的界面结构一半共格界面有错配位 错存在有关。这些位错核心可以吸收Mg原子，从而进一步降低界面能。在这种情况下，晶 界一旦形成裂纹也扩展缓慢，因此在加入适量的A1、Mg后B合金不但具有高强度而且具 有相当好的蠕变综合性能，参见表2。 4结 论 M2gCa、VC和合金基体的结构虽然都属于FCC点阵，而且它们之间都有简单的平行 取向关系，但M2sC。和VC的界面结构是不同的。 (1)M23C。与基体的界面是半共格的。沿M2C。长度方向两侧界面分布有错配位错 列，平均间距约10nm。Burgers Vectors为a/2y,根据M2sC。和基体点阵错配度 8=-0.017计算出错配位错间距与实测值非常接近。 (2)细小的VC与基体的界面是共格的。由于VC和基体的点阵错配度大8=+0.155， VC析出使周围基体点阵畸变大，界面能高，界面不够稳定。这种主要靠共格沉淀硬化的材 料，析出的颗粒尺寸有一定限度。尺寸过大时，共格会丧失，因此必须加以控制避免过时 效。 (3)M2sC。和基体的平行波纹图(Moire pattern)条纹总是和相应的工作倒矢量g垂 直，条纹的间距与共振倒矢量的关系是区别于界面位错的主要标志。 (4)适当热处理或加入少量Mg可以改变Mz,C。在晶界附近析出的形态，这与M23C。 的半共格界面结构有关。 致谢本工作的实验部分曾得到物构中心李晓峰同志的大力帮助：结果讨论中肖治纲、周政谦等同志提出了宝 贵的意见，材料力学性能由齐齐哈尔钢厂测定，付杰、杨健同志提供了必要的数据和样品，在此一并致谢。 参考文献 1 Lewis M H,Hattersley.Acta Metall.1965;13:1159 2 Beckitt F R,Clark B R,Acta Metall,1967;15:113 3 Singhal L K,Martin J W.Acta Metall.1968;16:1159 4 Pumphrey P H,Edington J W.Acta Metall.1974;22:89 5 Kuo K H,Jia C L.Acta Metall.1985;33:991 6苗柏和，谢锡善。金属学报。1986,22：A44 439

。 在晶界的析 出及 其与基体的结合方式 ， 本身的形 态等对合金的力学性能 有着重要 的影响 。 。 沿 晶界析出 ， 与基体呈 半共格关 系 ， 界面能较低 ， 也较 为 稳 定 。 同时 由于 晶界 。 的析 出 ， 晶界附近 、 。 等元素含量减少 ， 又 改善 了晶 界 区 的 塑 性 ， 增强 了晶界的蠕变变形 能力 。 特别是通过适 当热 处 理促进晶界 析出 “ 或是加 人 少量 、 等元素 合金 可以 进一步改变 晶界 的形态 ， 从条状 块 状 。 而 加 人 后之所以能改变 。 的形态 ， 可能与 。 的界面结构－半共格界面 有错配位 错存在有关 。 这些位 错核心 可以吸收 原子 ， 从而 进 一步降低界 面能 。 在这 种情况下 ， 晶 界一旦形成裂纹也扩展缓 慢 ， 因此在加 入适量的 、 后 合金不但具 有高强 度 而 且 具 有相当好的蠕变综合性能 ， 参见表 。 结 论 。 、 和 合金 基体的结构虽然都属于 点阵 ， 而且它们之间都 有简单的 乎行 取 向关 系 ， 但 。 和 的界面结构是不同的 。 。 与基体的 界面是半共格 的 。 沿 。 长度方 向两侧界面分布有错 配 位 错 列 ， 平均 间距约 。 为 一。 丫， 根据 。 和基体点阵错配度 占二 一 。 计算出错配 位 错 间距与实测值非常接近 。 细小 的 与基体的界面是共格的 。 由于 和 基体的点阵错配 度大 占 。 ， 析出使 周围基体点阵畸 变大 ， 界面 能高 ， 界 面 不 够稳定 。 这 种主要 靠共格沉淀硬 化的材 料 ， 析出的颗粒尺寸 有一定 限度 。 尺寸过大时 ， 共格 会丧失 ， 因此 必 须加 以 控制 避 免 过 时 效 。 。 和 基体 的 平行 波纹 图 条纹总是和 相 应的 工 · 作 倒 矢 量 蚕 直 ， 条纹的 间距 与共振 倒 矢 量的关系是 区别于界面位错的主要标志 。 适 当热 处理 或加 入少 量 可以 改 变 。 在晶界附近析出的形态 ， 这与 。 的半共格界面结 构 有关 。 致 谢 本工作 的 实验部分 曾得 到物构中心 李晓 峰同志的大 力帝助 ， 结果讨论 中肖治纲 、 周 政 谦等同志提出了宝 贵的定见 ， 材 料 力学性 能 由齐齐哈尔钢厂测 定 ， 付杰 、 杨健同 志提供 了必 要的数据和 样品 ， 在此一并致谢 。 参 考 文 献 ， ， ， ， 。 ， ， 。 。 ， ， 。 。 苗柏和 ， 谢锡善 金属 学根 ， 分