2020-08-13 10:17:01 奥达科学有限公司
编者案
镍基单晶高温合金是一种被广泛用于航空发动机的涡轮叶片的高温材料。然而,对于他们的结构特征,过去对这种合金的认识大部分都是在电子显微镜中室温条件下获得。近期,我国学者通过球差校正透射电子显微镜成像技术,在1000℃的高温下来研究镍基高温合金的微观结构。这是第一次在高温环境和原子分辨率下,同时观察到合金元素的蒸发和重构。
这项研究联合了中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室和北京航空材料研究院/先进高温结构材料国家重点实验室共同进行,参与的学者包括葛炳辉研究员、谷林研究员、张庆华博士、常云杰、骆宇时高级工程师。
如下为1000℃的高温和原子分辨率下该研究所观察到的镍基高温合金的蒸发和重构。高温高真空下原子的蒸发机制就像滤波器将与镍成键较弱的轻原子蒸发掉,而保留强成键的重原子,使得{001}、{110}等面暴露出来,从而在此国产单晶高温合金中清晰的观察到常温下不明显的某些方向上的重原子短程有序。此项研究成果于2017年1月发表于Scripta Materialia杂志的Volume 126。以下为研究中观察到的重要图像。
Fig. 2. HAADF images of superalloys at 1000 °C. In (a) and (b) the disordered phases are indicated by white arrows, and the enlarged area denoted by a rectangle in (a) is inset top right.
(a) and (b) HAADF images of the γʹ phase at the room temperature and 1000 °C, respectively. (c) Enlarged image with the projected model of Ni3Al inset on the right, and red disks denote Al sites and white disks Ni sites. (d) HAADF image of the γ/γʹ interface indicated by a white dashed line. Vacancies are denoted by white arrows.
(a) HAADF image of clusters at the temperature of 1000 °C and the area indicated by an ellipse are shown in (b). (c) EDS mapping of clusters.
镍基高温合金不为公众所熟知,其实这种物质对我国的国防和科技发展有着重要作用,被广泛的应用在航空发动机、航天器及火箭发动机、舰艇及工业燃气机轮、核反应堆、超高速交通运输工具、石油化工上。
学者们对合金高温态的观察,为如何提高镍基合金高温工作时的载荷能力和延长寿命提供了新的思路和方向。
该研究主要负责人&发文主要作者:
葛炳辉研究员中国科学院物理研究所
教育经历
1997-2004 山东大学,硕士
2004-2008 中国科学院物理研究所,博士
2008-2010 清华大学北京电镜中心,博士后
2010.7至今 中科院物理所
2013.9-2014.9 美国Brookhaven国家实验室,访问学者
主要研究方向
1) 像差矫正电子显微学方法、像衬理论及电子晶体学和图像处理;
2) 像差矫正电子显微学在高温合金、热电及半导体等材料中的应用
北京凝聚态物理国家实验室以中国科学院物理研究为依托单位,于2003年11月25日正式开始筹建。包括10个研究部、4个研究中心和1个技术支撑部。目前,国家实验室的主要学科方向为凝聚态物理学,包括超导、磁学、表面科学、光学、先进材料、极端条件物理、纳米科学、软物质、固态量子信息和凝聚态理论与计算等研究领域,学科范围从凝聚态物理学延伸至材料科学、能源科学、信息科学以及生物科学等。
主要有金属有机化学气相淀积(MOCVD)设备、磁性金属超薄膜生长/超高真空变温SPM/原位穆斯堡尔谱仪联合系统、有机分子外延-低温扫描隧道显微镜-纳米四探针探测(NP-OMBE-LTSTM)系统、TMR R&D Sputtering System、变温扫描隧道显微镜/原子力显微镜-角分辩光电子谱-分子束外延联合系统、多功能高分辨电子能量损失谱仪、场发射透射电子显微镜、极低温强磁场双探针扫描隧道显微镜、FEI DB235聚焦离子束刻蚀与沉积系统、Raith 150 电子束曝光系统、IBM SP 690大型计算机、模块式三级拉曼光谱系统以及自行研制的超高真空低温强场双探针STM、高分辨率TEM-扫描探针SPM原位物性研究系统、激光分子束外延系统II型激光分子束外延系统、国际首台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪和峰值功率大于350太瓦的超强飞秒激光装置——“极光III”装置等。
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