清華先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室攻克鎳基單晶高溫合金蠕變碳化物跨尺度原位解析難題

2025-05-29

研究背景

鎳基高溫合金在各種環(huán)境下的性能表現(xiàn)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，但傳統(tǒng)表征技術(shù)存在明顯局限。例如，單束掃描電子顯微鏡（SEM）難以兼顧高分辨率與大視場成像，導(dǎo)致無法全面統(tǒng)計(jì)納米級(jí)碳化物的分布特征。多束SEM雖提高了通量，卻無法同時(shí)獲取形貌與成分信息，從而限制了研究者對(duì)碳化物空間分布、界面行為及動(dòng)態(tài)演化規(guī)律的深入理解。此外，傳統(tǒng)方法依賴人工標(biāo)注海量圖像數(shù)據(jù)，效率低下且難以精確量化Re元素對(duì)碳化物粗化的影響。為此，清華大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種創(chuàng)新的單束高通量SEM技術(shù)，結(jié)合改進(jìn)的深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)了從宏觀到原子尺度的多維度表征。

技術(shù)創(chuàng)新與方法

本研究通過多學(xué)科交叉融合，構(gòu)建了一套完整的碳化物跨尺度表征體系，主要包括以下技術(shù)突破：

高通量SEM成像技術(shù)

自主研發(fā)的電子光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二次電子（SE）與背散射電子（BSE）信號(hào)的同步采集，成像速度高達(dá)每秒2億像素。通過大面積陣列掃描（覆蓋12.96×4.33 mm2區(qū)域），生成了分辨率達(dá)15 nm的TB級(jí)全景圖譜，為碳化物的統(tǒng)計(jì)分析提供了高精度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

智能圖像分析與特征識(shí)別

采用改進(jìn)的U-Net模型，結(jié)合數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)（如隨機(jī)裁剪、旋轉(zhuǎn)等），實(shí)現(xiàn)了碳化物的自動(dòng)標(biāo)注，準(zhǔn)確率超過95%。通過多尺度特征融合算法，成功區(qū)分了MC型（Ta/Hf富集）與M23C6型（Cr/Re富集）碳化物，并量化了其在枝晶間與枝晶內(nèi)的分布差異。

跨尺度關(guān)聯(lián)與驗(yàn)證

基于全景圖譜提取了碳化物的尺寸、體積分?jǐn)?shù)及空間分布密度等關(guān)鍵參數(shù)，揭示了蠕變過程中MC分解與M23C6生長的動(dòng)態(tài)競爭機(jī)制。同時(shí)，利用STEM-HAADF與EDS技術(shù)，在原子尺度上解析了M23C6/γ′基體的共格界面及Re元素的占位特征，驗(yàn)證了位錯(cuò)釘扎效應(yīng)與擴(kuò)散抑制機(jī)制。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用價(jià)值

動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn)，蠕變過程中MC碳化物逐漸分解，而M23C6碳化物則通過Re元素的晶格占位抑制粗化，從而提升了材料的高溫穩(wěn)定性。

界面強(qiáng)化機(jī)制

通過原子尺度分析，證實(shí)了M23C6/γ′共格界面對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，為優(yōu)化高溫合金的抗蠕變性能提供了理論依據(jù)。

工程應(yīng)用指導(dǎo)

研究結(jié)果表明，當(dāng)M23C6體積分?jǐn)?shù)超過0.25%時(shí)，材料的蠕變壽命可提升23%。此外，Re元素的摻雜閾值（原子占比>2.5%）為平衡材料性能與加工工藝提供了重要參考。

圖文概覽

1：展示了單束高通量SEM技術(shù)的工作流程，包括樣品制備、電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及全景圖譜生成。

（A）高溫合金的中間合金。（B）高溫合金的蠕變?cè)嚄U。藍(lán)色箭頭表示施加的力 [001] 的方向。（C）蠕變斷裂樣品的冷鑲嵌 [100] 縱向截面。（D）單光束高通量 SEM 的電子光學(xué)系統(tǒng)。（E）陣列掃描區(qū)域以綠色顯示。（F）（E）中橙色框的詳細(xì)視圖。（G）單個(gè) 15 nm 原生像素分辨率 BSE 圖像。（H）來自 1774 張 BSE 圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)和自動(dòng)蒙太奇后的全景圖（右）和示例細(xì)節(jié)（左）。MC 和 M23C6這里的碳化物分別標(biāo)記為紅色和綠色。此處全景圖中的矩陣以黑色顯示。（I） TEM 和 STEM 的電子光路。（J 和 K）硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)示意圖。（L）蠕變破裂樣品的蠕變曲線。（M）微觀結(jié)構(gòu)分析是大規(guī)模高通量觀察和宏觀尺度性能之間的紐帶。

圖2：詳細(xì)說明了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的碳化物自動(dòng)檢測與標(biāo)注過程

（A）從陣列掃描中獲取大量 BSE 圖像，其中 100 張隨機(jī)選擇作為訓(xùn)練/測試圖像。（B）左圖示意性地顯示了包含初級(jí)碳化物（白色）、次級(jí)碳化物（淺灰色）和基體（深灰色）的訓(xùn)練/測試 BSE 圖像之一。中間和右圖說明了訓(xùn)練/測試圖像的半自動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)記后的圖像，其中初級(jí)和次級(jí)碳化物分別用橙色和藍(lán)色標(biāo)記。（C）從原始圖像中隨機(jī)提取許多具有固定窗口大小的圖像塊并標(biāo)記訓(xùn)練/測試圖像，此處用黃色虛線框（左）表示，然后應(yīng)用縮放、旋轉(zhuǎn)、剪切、鏡像和作（右）來構(gòu)建用于模型訓(xùn)練和測試的最終圖像數(shù)據(jù)集。（D）使用 U-Net 分割建立自動(dòng)特征檢測模型，并使用訓(xùn)練/測試圖像來調(diào)整模型參數(shù)并檢查模型的準(zhǔn)確性。（E）該模型用于自動(dòng)識(shí)別其余陣列掃描 BSE 圖像（左）中的特征，所有圖像中的初級(jí)碳化物和次級(jí)碳化物分別標(biāo)記為紅色和綠色（中），從而可以創(chuàng)建帶有標(biāo)記碳化物的全景圖。

圖 3.MC 和 M 空間分布的異質(zhì)性23C6五個(gè)樣品中的碳化物

（A）五個(gè)樣品中每個(gè)樣品的全景圖譜，顯示了兩種碳化物空間分布的異質(zhì)性。MC 和 M23C6碳化物分別標(biāo)記為紅色和綠色。請(qǐng)注意，此處的基體顯示為黑色，以增強(qiáng)這些縮小尺寸圖像中碳化物的可見性。藍(lán)色箭頭表示高溫合金的熱處理和蠕變時(shí)間表。比例尺，1 毫米。（B 和 D） 3 x 1 蒙太奇區(qū)域的示例，顯示樹枝間和樹突區(qū)域，對(duì)應(yīng)于（A）中由橙色和黃色線框標(biāo)記的區(qū)域。這里的基體被人為地變成了黑色，以顯示對(duì)比度更高的碳化物。比例尺，50 μm。（C 和 E）顯示碳化物和 γ/γ' 基體的更高放大倍率視圖。

圖 4基于樣品比例數(shù)據(jù)的碳化物統(tǒng)計(jì)分析

（A 和 B）所有 MC 和 M 的大小分布23C6五個(gè)樣品中的碳化物。單個(gè) MC/M23C6此處定義的 Carbide 是每個(gè)全景圖集中的單個(gè)閉合紅/綠區(qū)域。每個(gè)彩色點(diǎn)代表一個(gè)碳化物，水平散布顯示每個(gè)值的點(diǎn)數(shù)。黑色圓圈是平均值。（C）五個(gè)樣本的總陣列掃描面積（條形圖，左縱坐標(biāo)）和 M 的數(shù)量23C6蠕變樣品的每單位面積碳化物數(shù)（折線圖，使用科學(xué)記數(shù)法的右縱坐標(biāo)）。（D） MC（紅色填充）和 M 的體積（面積）分?jǐn)?shù)23C6（綠色填充）碳化物。M 沒有數(shù)據(jù)的原因23C6SA1 和 SA2 中的碳化物是沒有 M23C6存在于樣品 SA1 和 M 23C6不能在 SA2 中充分蝕刻。

圖 5.M 的微觀結(jié)構(gòu)M23C6碳化物及其與周圍基體的關(guān)系