Ni-Si共晶的位向關(guān)系及晶格錯(cuò)配度的高分辨透射電鏡研究

崔春娟，薛　添，楊　程，楊　猛，田露露，問(wèn)亞崗

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安 710055; 2. 陜西省冶金工程技術(shù)研究中心，西安 710055)

?

Ni-Si共晶的位向關(guān)系及晶格錯(cuò)配度的高分辨透射電鏡研究

崔春娟1,2，薛添1，楊程1,2，楊猛1，田露露1，問(wèn)亞崗1

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安 710055; 2. 陜西省冶金工程技術(shù)研究中心，西安 710055)

定向凝固；布里奇曼；位向關(guān)系；晶格錯(cuò)配度；高分辨透射電鏡

0　引　言

金屬材料在多數(shù)情況下都是由兩相或多相組成，各相之間往往存在著某種特定的取向關(guān)系。例如，鋼中的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，由于這種相變具有按共格切變方式進(jìn)行的特點(diǎn)，新相和母相之間存在著一定的取向關(guān)系，在鋼中已經(jīng)觀察到的取向關(guān)系有K-S和西山關(guān)系。又如鋼中的碳化物或合金中的第二相的共格沉淀析出，第二相和母相之間也存在某種特定的取向關(guān)系。由此可見，測(cè)定取向關(guān)系，對(duì)于了解晶體的生長(zhǎng)及相變等微觀過(guò)程的本質(zhì)，在理論上具有指導(dǎo)意義，而且取向關(guān)系的研究對(duì)于材料的發(fā)展及其工藝的合理選擇也有實(shí)用價(jià)值[1]。

共晶組織中的相分散度很大，相界面在整個(gè)合金的界面中占有很大比例，因此，相界性質(zhì)對(duì)共晶的性能起著重要作用。相界面的性質(zhì)影響到共晶兩相間的結(jié)合強(qiáng)度、高溫下組織的穩(wěn)定性以及強(qiáng)化相析出的形態(tài)等。由于共晶兩相具有不同的晶格常數(shù)，使其相界面存在晶格錯(cuò)配度。Gilles,Muller等[2-3]發(fā)現(xiàn)晶格錯(cuò)配度可以影響合金的組織穩(wěn)定性及持久壽命。通常，合金的晶格錯(cuò)配度越小，組織穩(wěn)定性越好、蠕變壽命越長(zhǎng)[3]。因此，測(cè)量并計(jì)算合金的晶格錯(cuò)配度對(duì)合金的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的意義。本文以Ni-Si共晶為材料對(duì)象，以高分辨透射電鏡為主要分析手段，以晶體學(xué)位向關(guān)系和相界面的晶格結(jié)構(gòu)為研究?jī)?nèi)容，揭示了Ni-Si共晶的晶體生長(zhǎng)機(jī)制。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

依據(jù)Ni-Si相圖，配制Ni-11.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Si共晶合金，采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)熔配母合金，鑄錠去掉頭尾后線切割成?6mm×30mm的試棒若干。采用Bridgman定向技術(shù)制備不同凝固速率的Ni-Ni3Si共晶自生復(fù)合材料。把凝固速率為40μm/s的鑄態(tài)試樣線切割成?6mm×2mm試樣若干，經(jīng)砂紙打磨成20～50μm厚的試樣，將試樣用環(huán)氧樹脂粘在?3mm的銅網(wǎng)上，放入GatanPIPS691離子減薄儀中，減薄4h，獲得透射電鏡樣品。采用TECNAIF30型高分辨透射顯微鏡(HRTEM)，進(jìn)行相形態(tài)的觀察、選區(qū)電子衍射和相界面微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2　結(jié)果與討論

2.1凝固組織微觀結(jié)構(gòu)及位向關(guān)系

圖1為Bridgman定向凝固的凝固速率為40μm/s的Ni-Si共晶，經(jīng)機(jī)械研磨和離子減薄后在HRTEM下觀察到的組織形貌。

圖1　Ni-Si共晶的定向凝固組織形貌

Fig1MicrostructureoftheNi-SieutecticalloybyHRTEM

XRD表明[4]Ni-Si共晶由三相組成，α-Ni相、亞穩(wěn)Ni31Si12以及Ni3Si相。從HRTEM的圖片也可以看出凝固組織有三相，經(jīng)能譜分析顯示深色相為亞穩(wěn)相Ni31Si12，淺色相為Ni-Ni3Si共晶體和α-Ni相，各個(gè)相分別如圖1所示。 室溫時(shí)的金屬間化合物Ni3Si和α-Ni同屬面心立方(F.C.C.)晶體結(jié)構(gòu)，而亞穩(wěn)相Ni31Si12屬?gòu)?fù)雜六方結(jié)構(gòu)，具體晶體結(jié)構(gòu)尚未證明，文獻(xiàn)表明亞穩(wěn)Ni31Si12相經(jīng)過(guò)900 ℃退火30min，是可以完全轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Ni3Si相[5]。

經(jīng)選區(qū)電子衍射，基體和第二相的TEM衍射圖如圖2所示，圖2(a)的衍射斑點(diǎn)經(jīng)標(biāo)定并與文獻(xiàn)對(duì)比后可以證明其為亞穩(wěn)Ni31Si12相，說(shuō)明是在非平衡凝固下得到的。圖2(b)的衍射斑點(diǎn)包含兩套點(diǎn)陣，Ni3Si在經(jīng)有序化后轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)12型結(jié)構(gòu)后點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為面心立方，而α-Ni也屬面心立方結(jié)構(gòu)，衍射斑點(diǎn)與Ni同時(shí)出現(xiàn)，所以圖2(b)為Ni3Si和Ni的衍射斑點(diǎn)。

定向凝固共晶復(fù)合材料的組織由片層或者板條結(jié)構(gòu)組成，相的分布和界面形狀都具有規(guī)則性，相界面處在最低的能量狀態(tài)，這種特殊的結(jié)晶學(xué)關(guān)系意味著組成相之間必有擇優(yōu)的取向關(guān)系。Cantor等[6]研究了這種結(jié)晶學(xué)關(guān)系后指出，自生復(fù)合材料的相分布和橫截面形狀之所以都有一定的規(guī)則性，是由于其組成相之間有擇優(yōu)取向關(guān)系。

相變晶體學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)都已證實(shí)，為了減少因相變而引起的彈性應(yīng)變能，板條狀或棒狀生成相的生長(zhǎng)方向(軸線)往往平行于相變的不變線矢量。定向凝固時(shí)層片晶體沿[001]方向生長(zhǎng)，枝晶沿[100]方向，共晶體組織則沿某些特定方向生長(zhǎng)[7]。

圖2　HRTEM選區(qū)電子衍射花樣

圖3為Ni-Si共晶的選區(qū)電子衍射及位向關(guān)系。

圖3　選區(qū)電子衍射的位置和位向關(guān)系

2.2晶面結(jié)構(gòu)對(duì)相界面的影響

圖4為Ni-Si共晶相界面的高分辨圖像，在固態(tài)相變中，晶體結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起相界面的出現(xiàn)，相界面的性質(zhì)影響到共晶兩相間的結(jié)合強(qiáng)度、高溫下組織的穩(wěn)定性以及強(qiáng)化相析出的形態(tài)等。

α和β兩個(gè)固溶體(如α為母相，β為新相)是A-B二元合金，它們之間相互接觸形成α/β相界面，晶格錯(cuò)配度δ定義為

(1)

其中，αα，αβ分別為兩相在相界面上的晶格常數(shù)。

圖4　相界面的高分辨形貌

Fig4MicrostructureofthephaseinterfacebyHRTEM

在圖4(b)中，兩相界面附近晶格條紋平行，利用式(1)計(jì)算出兩相共格時(shí)在〈111〉方向的錯(cuò)配度為5%，剛性接近，界面上未發(fā)生兩相原子面的弛豫現(xiàn)象，相界面兩側(cè)原子直接連接引起的彈性能不很大，兩相之間可能形成了共格界面也可能形成半共格界面。對(duì)于界面上另外兩組晶面，面間錯(cuò)配度為0.9%和5%，配合的也非常好。兩相晶格常數(shù)的差別引起晶格應(yīng)變，當(dāng)兩相界面共格時(shí)晶格應(yīng)變減小，應(yīng)變能也降低，界面結(jié)合強(qiáng)度更高。從圖4(a)可以看出，基體側(cè)的條紋襯度比較均勻，第二相則不均勻，說(shuō)明有位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷引起的應(yīng)力場(chǎng)，顯而易見，第二相的應(yīng)力要比基體側(cè)的大。從圖4(b)可以看出，兩相界面并不平行于共格晶面條紋，界面上有2～5個(gè)原子面層的臺(tái)階。為了降低晶格錯(cuò)配引起的應(yīng)變，界面會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)配位錯(cuò)來(lái)吸納相界面兩側(cè)的錯(cuò)配，因此兩相界面為半共格界面。對(duì)于半共格界面模型，可以認(rèn)為在界面上除了位錯(cuò)心附近外，其它位置幾乎完全匹配，在位錯(cuò)心附近的結(jié)構(gòu)是嚴(yán)重扭曲并且點(diǎn)陣面是不連續(xù)的。

3　結(jié)　論

(2)共晶相界面的晶格錯(cuò)配度滿足半共格界面的結(jié)構(gòu)，界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，界面能量較低。

致謝：感謝陜西省留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目的大力支持！

[1]ZengJ.Studyonrelationshipbetweensurfacemorphology,elasticmodulusandAFMphasediagram[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology, 2007.

曾俊. 樣品表面形貌及彈性模量與AFM相位圖關(guān)系的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[2]GillesR,MukherjiD,TobbensD,etal.NeutronX-rayandelectron-diffractionmeasurementsforthedeterminationofγ/γ’latticelatticeinNibasesuperalloys[J].PplPhysA,2002,7:1446-1448.

[3]MullerL,GlatzelU,Feller-KniepmeierM.Modellingthermalmisfitstressesinnickelbasesuperalloyscontaininghighvolumefractionofγ’phase[J].ActaMetalMater,1992,40(6):1321-1327.

[4]CuiCJ,ZhangJ,WuK,etal.MicrostructureandpropertiesofNi-Ni3Sicompositesbydirectionalsolidification[J].PhysicaB:CondensedMatter, 2012, 407(17):3566-3569.

[5]GuoX,LuXF,MaQ,etal.Microstructureinvestigationonin-situsynthesisNi3Si/Nicomposite[J].NewTechnology&NewProcess, 2009, 12:96-98.

郭鑫, 盧學(xué)峰, 馬勤,等. 原位自生Ni3Si/Ni復(fù)合材料的顯微組織研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2009, 12:96-98.

[6]CantorRS,McIlroyPM.Statisticalthermodynamicsofflexible-chainsurfactantsinmonolayerfilms.II.Calculationsforamodifiedcubiclatticemodel[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1989, 90: 4431-4440.

[7]AvramiM.Kineticsofphasechange.Ⅰ.Generaltheory[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1939, 7: 1103-1112.

TheorientationrelationshipandlatticemisfitofNi-SieutecticalloybyHRTEM

CUIChunjuan1,2,XUETian1,YANGCheng1,2,YANGMeng1,TIANLulu1,WENYagang1

(1.SchoolofMetallurgicalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China；2.ShaanxiMetallurgicalEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi’an710055,China)

directionalsolidification;bridgman;orientationrelationship;latticemisfit;HRTEM

1001-9731(2016)08-08196-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51201121); 陜西省國(guó)際科技合作與交流計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016KW-055)

2015-09-14

2015-12-11 通訊作者：崔春娟，E-mail:cuichunjuan@xauat.edu.cn

崔春娟(1972-)，女，陜西岐山人，副教授, 碩導(dǎo)，主要從事金屬基復(fù)合材料的定向凝固技術(shù)與理論研究。

TG244+.3

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.035