一种单晶高温合金小取向差晶界的表征判定方法

1.本发明涉及单晶高温合金小取向差晶界的表征判定方法，更具体地，涉及镍基或钴基单晶高温合金的小取向差晶界的表征判定方法。


背景技术：

2.单晶高温合金高温性能优异，常用于重型燃气轮机和航空发动机涡轮叶片制备。相对于等轴晶和柱状晶叶片，单晶叶片消除了工程意义上的晶界，取向高度一致，具有更好的综合性能。在生产过程中，单晶叶片常产生条纹晶、小角度晶界混合取向偏离等缺陷。这些缺陷导致枝晶偏离预期的生长方向，破坏了单晶材料的完整性。这些晶界为裂纹、微孔等缺陷提供了源头，进而影响了叶片的性能，缩短了叶片的寿命。
3.对于条纹晶等缺陷导致的小取向差晶界(特指取向偏离差为3
°
以下的晶界)在外观上无法判定，需要借助进一步的分析手段来确定。目前判定单晶高温合金小取向差晶界的方法主要有金相显微镜观察、扫描电镜观察和电子背散射衍射分析(ebsd)。金相显微镜观察是通过光源下不同取向的组织反射率不同，展现出来的颜色明暗程度不同，来判定是否含有小取向差晶界。该方法观察尺度较大，对小取向差晶界分辨率差，且无法直接获得晶界两侧取向信息。扫描电镜通过判断小取向差晶界两侧组织排列情况来判断是否含有晶界，且对小取向差晶界分辨率差，且无法直接获得晶界两侧取向信息。电子背散射衍射分析通过电子束照射晶界两侧，获取晶格排列情况，因此，针对取向差较大的晶界，电子背散射衍射图中晶界两侧衬度明显，能有效的判定组织是否存在晶界，但是对小取向差晶界分辨率差。目前，亟需一种针对单晶高温合金小取向差晶界的纳米尺度高分辨判定方法。


技术实现要素：

4.发明要解决的问题
5.基于上述，目前判定单晶高温合金小取向差晶界的方法的观察尺度较大、分辨率低，难以从纳米尺度观察到小取向差晶界的形貌特征以及对小取向差晶界进行判定。因此，需要提供一种分辨率高、能够对小取向差晶界进行明确判定的方法。
6.用于解决问题的方案
7.为解决上述问题，本发明人进行研究并发现，利用透射电子显微镜布拉格消光产生等厚条纹的原理，能够以高分辨率从纳米尺度上确定单晶高温合金的小取向差晶界的位置，为单晶高温合金小取向差晶界的判定提供了新的方法。
8.[1]更具体地，本发明提供一种单晶高温合金小取向差晶界的表征判定方法，其包括：
[0009]
制备单晶高温合金的楔形样品；
[0010]
在透射电子显微镜下观察所述楔形样品中的小取向差晶界两侧的等厚条纹，观察到等厚条纹断裂错层的位置即判定为晶界所在位置。
[0011]
[2]根据上述1所述的表征判定方法，其中所述楔形样品的倾斜角度为5
°
以下、优
选3
°
以下。
[0012]
[3]根据上述1或2所述的表征判定方法，其中所述楔形样品的最厚位置处的厚度为150nm以下、优选100nm以下、更优选50nm～100nm。
[0013]
[4]根据上述1或2所述的表征判定方法，其中所述楔形样品通过将单晶高温合金样品进行聚焦离子束fib切割而获得。
[0014]
[5]根据上述4所述的表征判定方法，其中所述单晶高温合金样品通过将单晶高温合金铸件进行线切割，然后将线切割后的样品进行清洗、腐蚀、打磨和抛光处理而获得。
[0015]
[6]根据上述5所述的表征判定方法，其中所述线切割后样品的尺寸为5mm
×
5mm
×
1mm～16mm
×
16mm
×
4mm、优选8mm
×
8mm
×
2mm～15mm
×
15mm
×
3mm。
[0016]
[7]根据上述5或6所述的表征判定方法，其中所述腐蚀通过将所述线切割后的样品浸渍于盐酸和双氧水的混合液中15～50秒、优选20～40秒来进行。
[0017]
[8]根据上述7所述的表征判定方法，其中所述混合液中，盐酸与双氧水的体积比为1:2～2:1。
[0018]
[9]根据上述5所述的表征判定方法，其中所述清洗通过使用乙醇含量为30体积％～60体积％的乙醇水溶液进行。
[0019]
[10]根据上述1-9任一项所述的表征判定方法，其中所述单晶高温合金为镍基或钴基单晶高温合金。
[0020]
发明的效果
[0021]
本发明的方法具有以下有益效果：
[0022]
本发明中利用透射电镜布拉格消光产生等厚条纹的原理，能够从纳米尺度下判断单晶高温合金中小取向差晶界的位置，分辨率高，即使对于没有明显位错的样品或者晶界取向差较小的样品，也能够明确判定其晶界位置，有效解决了常规分析手段中观察尺度过大、分辨率较差、对小取向差缺陷的判定不明显的问题。
附图说明
[0023]
图1示出实施例1中镍基单晶高温合金的楔形薄片的取样示意图。
[0024]
图2示出实施例1的镍基单晶高温合金进行聚焦离子束切割时的形貌。
[0025]
图3示出实施例1中的样品在透射电子显微镜下的晶界形貌(左右两侧不连续的黑色条纹是等厚条纹)。
[0026]
图4示出由图3进一步放大后的小取向差晶界形貌。
[0027]
图5示出扫描电子显微镜下实施例1的镍基单晶高温合金小取向差晶界的形貌。
[0028]
图6示出电子背散射衍射下实施例1的镍基单晶高温合金小取向差晶界形貌。
具体实施方式
[0029]
本文所用的术语“小取向差晶界”与本领域通常的小角度晶界的概念不同，在本发明中特指晶界两侧取向偏差为3
°
以下的晶界。
[0030]
本文所用的术语“倾斜角度”是指楔形样品的两条斜边的夹角，即为如图1所示楔形薄片中的右下方的角度θ。
[0031]
本说明书中，使用“数值a～数值b”表示的数值范围是指包含端点数值a、b的范围。
[0032]
除非本技术中另外要求，在整个说明书和其后的权利要求书中，词语“包括”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。
[0033]
本说明书中，如没有特殊声明，则“多”、“多种”、“多个”等中的“多”表示2或以上的数值。
[0034]
本说明书中，所述“基本上”、“大体上”或“实质上”表示于相关的完美标准或理论标准相比，误差在5％以下，或3％以下或1％以下。
[0035]
本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。
[0036]
本说明书中，“任选的”或“任选地”是指接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。
[0037]
本说明书中，如有出现“室温”、“常温”等，其温度一般可以是10-40℃。
[0038]
本发明提供一种单晶高温合金小取向差晶界缺陷表征方法，从纳米尺度确定小取向差晶界的位置，为小取向差晶界缺陷表征提供了高精度的表征方法，有效解决了传统方法中观察尺度过大、分辨率较差的问题。方便研究者和技术工人进一步分析研究小取向差晶界的成因，能够为探索和消除小取向差晶界缺陷提供有效帮助。
[0039]
本发明中，对于单晶高温合金没有特别限定，可为任意的单晶高温合金。在本发明的一些具体实施方案中，单晶高温合金为镍基或钴基单晶高温合金。
[0040]
本发明的单晶高温合金小取向差晶界的表征判定方法包括：
[0041]
制备单晶高温合金的楔形样品；
[0042]
在透射电子显微镜下观察所述楔形样品中的小取向差晶界两侧的等厚条纹，观察到等厚条纹断裂错层的位置即判定为晶界所在位置。
[0043]
本发明中制备单晶高温合金的楔形样品的方法包括：对单晶高温合金板状铸件进行线切割，然后将线切割后的样品进行清洗、腐蚀、打磨和抛光处理，然后将处理过的样品切割为楔形样品。
[0044]
在本发明的实施方案中，对于将铸件进行线切割、清洗、腐蚀、打磨和抛光处理的方法没有特别限定，可以使用本领域中常用的方法。以下进行具体说明。
[0045]
线切割
[0046]
在本发明的一些实施方案中，首先对可能存在小取向差晶界的单晶高温合金的铸件，通常是板材或棒材，进行线切割。对于线切割的设备没有特别限定，可使用本领域通常使用的电火花线切割机。
[0047]
本发明中，对于切割出的样品的尺寸没有特别限定，但是为了便于后续的处理，线切割的样品的尺寸通常为5mm
×
5mm
×
1mm～16mm
×
16mm
×
4mm，优选为8mm
×
8mm
×
2mm～15mm
×
15mm
×
3mm，其中样品的长、宽、高可在上述范围内任意组合，例如可以为10mm
×
10mm
×
1mm等。
[0048]
清洗
[0049]
对于线切割后的样品，通常需要进行清洗以去除合金表面附着的污物如油垢和其它有机杂质。在本发明的一些实施方案中，使用乙醇含量为30体积％～60体积％的乙醇水溶液来进行样品的清洗。
[0050]
任选地，为了辅助清洗，清洗时也可以外加超声波。对超声浸泡时间没有特别限
定，通常可以为30秒～5分钟、优选30秒～3分钟。
[0051]
腐蚀
[0052]
将线切割后样品进行清洗之后，需要对样品进行腐蚀以去除样品表面的氧化物并露出晶粒形貌。在本发明的一些实施方案中，使用盐酸和双氧水的混合液对样品进行腐蚀。混合液中，盐酸与双氧水的体积比可为1:2～2:1。
[0053]
本发明中对腐蚀时间没有特别限定，可使用本领域常用的腐蚀时间，通常为15～50秒，优选20～40秒。
[0054]
打磨和抛光处理
[0055]
对去除氧化物之后的样品需要打磨和抛光，以确保样品表面光洁无划痕。对用于打磨和抛光的方法没有特别限定，在本发明的一些实施方案中，可以使用自动抛磨机同时进行打磨和抛光。可选地，也可以先使用研磨纸如sic研磨纸进行研磨，然后使用例如金刚石膏等进行抛光。
[0056]
取样
[0057]
对打磨和抛光后的样品上怀疑存在小取向差晶界的位置进行聚焦离子束(fib)切割来取样。切割过程中，为了方便后续等厚条纹观察，需要控制切割角度，保持fib样品形态为一定倾斜角度(如图1中所示的θ)的楔形，同时确保fib样品小于一定厚度，从而获得楔形样品或者楔形薄片。
[0058]
本发明中，楔形样品的倾斜角度可为5
°
以下，优选3
°
以下，例如可为1
°
～5
°
，优选1
°
～4
°
，更优选2～3
°
。楔形样品的最厚位置处的厚度(如图1中所示的t)为150nm以下、优选100nm以下、更优选50nm～100nm、还更优选50nm～80nm。
[0059]
如上所述制备楔形样品后，可将楔形样品置于透射电子显微镜下进行观察，等厚条纹突然断裂错层的位置(等厚条纹不连续的位置)即为晶界所在位置。
[0060]
实施例
[0061]
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售获得的常规产品。
[0062]
实施例1
[0063]
本实施例中使用的单晶高温合金为镍基单晶高温合金，其牌号为：dd5镍基单晶高温合金。
[0064]
本实施例中首先将可能含有小取向差晶界的镍基单晶高温合金的板状铸件进行电火花线切割，切割获得10mm
×
10mm
×
1mm的样品。然后将线切割后的样品置于乙醇含量为50体积％的乙醇水溶液中，超声清洗1分钟。清洗后的样品置于体积配比为1:1的盐酸和双氧水混合液中，进行腐蚀30秒。之后采用自动抛磨机对样品进行打磨抛光。对抛光好的样品采用tescan s9000x进行xe 聚焦离子束切割，调节切割角度，保持fib样品形态是倾斜角度(如图1所示的θ)为3
°
的楔形，同时保证fib样品中最厚位置的厚度(如图1所示的t)为100nm。其中进行聚焦离子束切割时的样品形貌示于图2中，其使用zeiss merlin vp扫描电子显微镜观察得到。完成fib切割后，将样品置于jeol jem-2100f透射电子显微镜下进行观察，结果如图2和图3所示。
[0065]
图2中，中间椭圆形标记的位置是镍基高温合金小取向差晶界，晶界两侧的黑色条纹是等厚条纹，在晶界处发生了错动。图3是进一步放大后的小取向差晶界形貌，从图3中甚至能够看出晶界处原子排列规则程度。
[0066]
为了与其它观察方法进行比较，对本实施例的样品进行了zeiss merlin vp扫描电子显微镜和ulvac-phi phi710电子背散射衍射的观察，结果分别示于图5和图6中。
[0067]
将图5和图6与图2和图3进行比较可知，本发明的单晶高温合金小取向差晶界的表征判定方法，与利用扫描电子显微镜和电子背散射衍射来观察小取向差晶界的方法相比，分辨率高、能准确判断小取向差晶界位置，甚至能够判断晶界处原子排列规则程度。
[0068]
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
[0069]
产业上的可利用性
[0070]
本发明的单晶高温合金小取向差晶界的表征方法，从纳米尺度下判断单晶高温合金是否含有小取向差晶界缺陷，有效解决了传统方法中观察尺度过大、分辨率较差的问题，为单晶高温合金小取向差晶界的判定提供了全新的思路和方法。