Fe-Cr-C-V-xTi硬质合金中M7C3碳化物的异质形核机制

《Materials Science and Engineering: A》：Heterogeneous nucleation mechanism of M 7C 3 carbides in Fe-Cr-C-V-xTi hardfacing alloys

氧含量对FGH96高温合金变形机制及断裂模式的影响研究。低氧（140 ppm）下MC碳化物均匀分布，通过Orowan机制形成均匀位错胞，协同滑移与孪生提升强度和延展性；高氧（340 ppm）引发氧化物-MC链式析出，细化晶粒并增加晶界密度，导致位错严重堆积，阻碍a/6<11-2>部分位错滑移和孪生，形成堆垛层错，断裂模式从跨晶界转向晶界间断裂，延展性下降38.9%。

　　在现代材料科学中，粉末冶金（PM）技术广泛应用于高性能合金的制备，特别是在航空发动机涡轮盘等关键部件的制造中。FGH96是一种第二代耐损型镍基高温合金，因其均匀的微观结构、细小的晶粒以及较低的宏观偏析而表现出优异的综合性能，包括高温下的抗疲劳和抗蠕变能力、相稳定性以及抗腐蚀和氧化性能。然而，在PM制造过程中，氧气污染是一个显著的问题，尤其是在粉末原子化过程中，约30%的粗粉末因非金属杂质含量过高而无法用于近净成形，特别是氧气含量超过200 ppm时，其对合金性能的负面影响尤为明显。因此，深入研究氧气对FGH96合金微观结构和变形机制的影响，对于提高其性能并实现成本效益的涡轮盘制造至关重要。

氧气在FGH96合金中的存在形式与微观结构演变密切相关。在低氧含量（140 ppm）的合金中，MC型碳化物（如TiC）的形成主要依赖于基体中碳化物形成元素（如Ti和Al）的过饱和状态，而这些碳化物通常没有氧化物内核。随着氧气含量的增加，氧化物内核的形成促进了MC型碳化物的异质成核，从而在高温等静压（HIP）或热机械加工过程中，导致MC和M₂₃C₆碳化物的形成。这些碳化物具有更低的界面能障碍，有助于形成连续的PPB（前粒子边界）碳化物网络，进而影响合金的力学性能。此外，氧气的增加还会导致细晶粒在PPB区域的进一步细化，从而显著改变晶界密度和变形行为。

通过结合原位拉伸测试、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究者发现氧气含量对FGH96合金的变形机制有深远影响。在低氧含量的合金中，MC型碳化物的均匀分布促进了通过Orowan机制形成的均匀位错胞结构，从而增强了合金的强度。同时，大量的变形孪晶和穿过晶粒的裂纹扩展，由位错滑移进入晶粒内部以及γ′析出相的剪切共同驱动，显著提高了应变硬化和晶内塑性，实现了强度与延展性的协同提升。然而，随着氧气含量的增加，氧化物作为异质成核点，促使MC碳化物沿PPB区域的细晶粒晶界形成不连续的链状分布，进一步细化了这些区域的晶粒。在拉伸变形过程中，这些MC碳化物通过Orowan机制诱导形成连续的位错胞结构，导致严重的位错堆积。位错的积累显著增加了系统的能量，从而促进位错的解离以降低能量状态。同时，位错堆积也阻碍了a/6<11–2>部分位错在{111}面上的滑移，使得滑移在形成堆垛层错时停止，中断了孪晶形成过程。这些机制共同作用，使合金的变形机制从滑移和孪晶转变为部分位错和堆垛层错，最终导致裂纹扩展模式从晶内断裂转变为晶间断裂。

在高氧含量（340 ppm）的合金中，MC碳化物的高密度和小间距导致了不连续的链状分布，使得位错胞在生长过程中发生合并，形成连续的位错胞结构。这种结构促使了严重的非均匀变形，最终导致沿PPB区域细晶粒晶界的晶间断裂。同时，由于氧化物的存在，M₂₃C₆碳化物的强度被显著削弱，使其更容易成为裂纹源。在拉伸过程中，裂纹优先从M₂₃C₆碳化物开始，而不是从γ′/γ相界面，这表明高氧含量的合金在变形过程中表现出不同的裂纹起源机制。此外，高氧含量合金的晶界密度显著增加，进一步限制了位错的滑移，导致位错堆积，从而影响合金的延展性。

研究还发现，氧气含量的变化对合金的裂纹传播路径和裂纹形态有显著影响。在低氧含量合金中，裂纹主要沿γ′/γ相界面传播，表现出典型的晶内断裂特征，裂纹穿过晶粒内部，导致细小的缩孔和相对平滑的断裂表面。而在高氧含量合金中，裂纹沿PPB区域的细晶粒晶界传播，呈现出晶间断裂的特征，断裂表面呈现出明显的颗粒状结构。这种裂纹路径的变化表明，氧气的增加改变了合金的断裂机制，使得其在变形过程中更易发生晶间断裂。

此外，氧气含量对合金的位错行为和堆垛层错的形成也有重要影响。在低氧含量合金中，位错的解离和滑移能够促进孪晶的形成，从而增强合金的强度和延展性。然而，在高氧含量合金中，位错的解离虽然增加了，但部分位错的滑移受到阻碍，使得堆垛层错成为主要的变形机制。这种机制的转变使得合金在变形过程中表现出不同的裂纹扩展行为，从而影响其整体性能。

研究还揭示了氧气对合金微观结构的复杂影响。在低氧含量合金中，MC碳化物的均匀分布有助于形成均匀的位错胞结构，提高合金的强度。而在高氧含量合金中，MC碳化物的不连续链状分布则导致了位错的严重堆积，增加了系统的能量，使得位错解离成为主要的变形机制。这种位错行为的改变不仅影响了合金的强度，还显著降低了其延展性。

综上所述，氧气含量对FGH96合金的微观结构和变形机制具有显著影响。低氧含量合金通过均匀分布的MC碳化物和均匀的位错胞结构，实现了强度与延展性的协同提升，而在高氧含量合金中，MC碳化物的不连续链状分布和高晶界密度导致了位错的严重堆积，从而引发了晶间断裂。因此，理解氧气在合金中的作用对于优化其制备工艺和提升性能具有重要意义。