沉淀硬化通常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，对高温合金的整体强度有显着贡献。由于碳和硼通常被添加到高温合金中以提高铸造性，减少晶粒缺陷和加强晶界，碳化物和硼化物总是在高温合金中沉淀，并且有利于蠕变性能。然而，这些第二相和基体之间的界面通常被认为是高温合金中的蠕变和疲劳裂纹成核位点。 此外，在许多长期热暴露的铸造高温合金中也观察到金属基体内的碳化物分解。 有研究者认为MC分解可能导致热暴露后微裂纹的萌生和扩展。相反，根据He等人的观察，断言MC变性可能有助于高温合金的应力断裂性能。冲突可能归结为微观层面信息的缺乏。然而，关于碳化物变形和退化的详细原子实验结果仍然相当有限。因此，我们在这里的目标是更好地了解碳化物在高温蠕变下的分解行为。

尽管几十年来一直在研究高温合金中MC碳化物的分解，但其原子机制仍然知之甚少。通常认为化学分解始于MC碳化物和基体的界面，经典分解反应为：MC+γ→M 6C/M23C6+γ′/η。 高温合金中MC的其他不同变性反应也报道了不同的合金成分，特别是取决于合金的Nb/Ti和（W + Mo）/Cr比率。退化产物从M₆C 到 M 共存₆C 和 M₂₃C₆最后到M₂₃C₆，合金的（W + Mo）/Cr比从0.55降低到0.37，最后降低到0.22。然而，此后大多数MC分解研究都集中在MC在热暴露过程中的微观结构演变上，目前对高空间分辨率下初级MC分解的认识有限。需要有关微观结构特征的原子尺度信息，例如分解位点和位错机制，以了解碳化物在高温下蠕变变形过程中的分解行为。

另一方面，塑性变形可能发生在复杂的化合物中。例如，纳米级金属间铝2Cu可以与延展性Al基体塑性共变形，从而在Al-Cu合金中提供高强度和高应变硬化。M₇C₃高铬铸铁中的硬质合金在压缩测试中也会表现出塑性和加工硬化。钢中的渗碳体颗粒可以通过广泛的位错滑动切割成细化块，从而溶解渗碳体。然而，高温合金中碳化物在蠕变下的变形行为尚未得到探索。因此，了解高空间分辨率下MC分解的原子机理，特别是位错如何辅助，应为提高高温合金甚至其他工程合金的性能提供指导。

‍在本研究中，中国科学院金属研究所马秀良团队对此进行了研究，首次利用高空间分辨技术对一种多晶ni基高温合金蠕变断口附近的MC碳化物的成分分布、分解产物的微观结构特征和晶体缺陷进行了表征。结合TEM观测和原子模拟，提出了一种位错辅助MC分解成M₂₃C₆的机制。最后，讨论了观察到的碳化物演化对蠕变性能的影响。

相关研究成果以题为Dislocation climbing dominated decomposition and fracture of carbides in a Ni-based superalloy发表在Acta Materialia上。

链接：

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

通常，HAADF图像中的对比度不均匀性表明成分变化。为了显示MC碳化物内部的成分分布，对包括不均匀区域的MC碳化物进行了EDS微量分析，如图2所示。图2（b-h）中的EDS图分别由（b）C-K，（c）Ti-K，（d）V-K，（e）Cr-K，（f）Co-K，（g）Ni-K，（h）Mo-L成像。与MC碳化物相比，不均匀区域的Cr含量明显丰富，而C，Ti，V和Mo缺乏。如EDS结果（图1a）所示，Cr和Ni含量很小，Co在MC碳化物中主要游离，不均匀区域中的富集元素应通过扩散来自基体。同样，较低的C含量表明碳沿着缺陷从MC扩散到基体中，而Cr则相反。此外，与MC碳化物相比，具有更高Co和Ni的纳米沉淀物可以在不均匀区域找到。这意味着在高温蠕变期间分解发生在MC硬质合金内部。

图2 MC碳化物中的元素不均匀分布。（a） HAADF图像显示MC碳化物的不均匀区域。在MC硬质合金上执行的EDS图，包括以（a）框框的矩形的非均匀区域：（b）C-K，（c）Ti-K，（d）V-K，（e）Cr-K，（f）Co-K，（g）Ni-K，（h）Mo-L。

图3（a）中的明场（BF）图像显示了图1（b）中MC碳化物的微观结构特征。平面或线缺陷通常在BF图像中显示为深色条纹，表明MC碳化物中存在大密度的晶体缺陷。图3（b）中标记的红色箭头显示了沿SAED图样观察时的反射分裂[010]司仪.这表明晶格一定已经旋转，这意味着MC碳化物经历了变形和微观结构转变。碳化物通常被认为难以适应基体的大变形，因此在高温蠕变过程中充当应力集中点诱导裂纹成核。然而，在图3（a）中观察到的高密度缺陷和图3（b）中的晶格旋转表明MC可能在高温蠕变过程中发生塑性变形。

图3（a） 明场图像显示晶粒内部的MC碳化物，以及MC碳化物中存在的缺陷。（b，e，f）[010]司仪, [110]司仪和 [111]司仪分别。（c） 示意图对应于（b），其中红色和蓝色斑点表示来自MC和M的反射23C6分别。（d） 显示M降水的ADF图像23C6沿着MC内部的缺陷沉淀。

显示M之间的界面特性23C6和MC，获取原子分辨率的HAADF-STEM图像（如图4所示）。在图4（a）中，沉淀物显示出层状特征，并且M之间的连接界面23C6MC由（001）平面组成。此外，图4（b）确定了界面由{111}平面组成，如沉淀的M23C6是粒子。实验观察表明，M之间的大多数界面23C6MC碳化物由{111}平面组成，这可能是由于与{100}平面相比，其界面能较低。因为M的晶格常数23C6 (一个M23C6）约为MC（a司仪），两个互穿晶格的最佳匹配位置（M23C6和 MC） 显示周期性 沿[110]MC方向L<110>= 5a<110>MC = 2a<110>M23C6和L<112>= 2.5a<112>MC = a<112>M23C6, L<100>= 5a<100>MC = 2a<100>M23C6和L<001>= 5a<001>MC = 2a<001>M23C6，分别如图4（c）和（d）所示。黑色单元格勾勒出相应的二色图案（CDP），晶格常数是MC（或双M）的五倍23C6）的应变可以忽略不计，红色实心细胞表示原始晶胞。界面中最差拟合的区域可能代表可能的界面位错。因此，M之间的接口23C6和 MC 不应该是相干的，尽管它们在立方体 OR 上有一个立方体。

图4 M23C6/MC界面的原子尺度表征。沿(a) [010]MC和(b) [110]MC区域轴的高分辨率HAADF图像显示了M23C6和MC碳化物之间的不同界面结构。(c)和(d)分别表示M23C6(蓝点)和MC(黄点)沿[010]MC和[110]MC带轴的重合点(仅考虑金属原子位置)。

图5 MC碳化物中缺陷的形态。蠕变变形后高温合金基体中MC碳化物缺陷的亮场图像(a) 200， (b) 20， (c) 002， (d)， (e) 20和(f) 1。光束方向为:(a, b, c) [010]MC和(d, e, f) [110]MC。

图6 沿着[110]拍摄的高分辨率HAADF图像显示了蠕变试样中MC内部缺陷区域的结构。给出了两个典型的缺陷区域（a-b）和相关的局部放大图像（c-d）。

图7（a） 沿样品法线方向的反极图 （IPF） 图和 （b） 铸造合金的 MC 和基体的极图。（c）和（d）分别显示MC和蠕变合金基体的IPF图和极图。X0 和 Z0 分别表示样品的加载方向和法线方向。

图8 铸态试样的MC与基体之间的界面沿[100]基体带轴观察。(a)和(b)高分辨率图像分别显示一个平坦的(001)MC-(111)矩阵界面和一个不直的界面。(b)中插入的快速傅里叶变换(FFT)模式表示(001)MC//(111)矩阵。(c)和(d)显示了框架区域的MC和快速傅里叶变换(iFFT)反模式的缺陷。

总而言之，尽管到目前为止人们对高温合金中的碳化物分解给予了很多关注，但其原子尺度信息是新的。通过详细的透射电镜分析，首次以高空间分辨率研究了MC碳化物在蠕变后多晶高温合金的内部分解行为。过渡金属元素不均匀分布及退化产物M23C6已确认。其机制可以通过位错的爬升导致Cr，Co，Ni沿位错路径偏析来解释，从而促进M的沉淀23C6在MC内部。此外，还证明了碳化物表现出塑性变形性以释放界面上的局部应力。值得注意的是，M的脱粘23C6/MC 接口将使蠕变试样中出现裂纹。因此，MC碳化物的内部分解可能导致内部微裂纹的扩展。为了改善高温合金的蠕变性能，应仔细控制碳化物的变形和分解。