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Submitted on 1 Jan 1987
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ATOM-PROBE INVESTIGATION OF THE EARLY STAGES OF DECOMPOSITION IN A NICKEL-BASE
SUPERALLOY
S. Chambreland, D. Blavette, Monique Bouet
To cite this version:
S. Chambreland, D. Blavette, Monique Bouet. ATOM-PROBE INVESTIGATION OF THE EARLY STAGES OF DECOMPOSITION IN A NICKEL-BASE SUPERALLOY. Journal de Physique Collo- ques, 1987, 48 (C6), pp.C6-361-C6-366. �10.1051/jphyscol:1987659�. �jpa-00226867�
Colloque C6, suppl6ment a u n O 1 l , Tome 48, novembre 1987
ATOM-PROBE INVESTIGATION OF THE EARLY STAGES OF DECOMPOSITION IN A NICKEL-BASE SUPERALLOY
S. Charnbreland, D. Blavette and M. Bouet
UA CNRS 808, Laboratoire d e Microscopie Ionique, Facult6 des Sciences de Rouen, B.P. 67, 76130 Mont-Saint-Aignan, France
R C s u m E : U n e s o n d e a t o m i q u e h t e m p s d e vol a € t C u t i l i s s e P o u r e t u d i e r l e s p r e m i e r s s t a d e s d e p r C c i p i t a t i o n d e l a p h a s e 7' d a n s un s u p e r a l l i a g e h b a s e n i c k e l . L e s p a r a m e t r e s d e m i c r o s t r u c t u r e , d 6 d u i t s d e s p r o f i l s d e c o n c e n t r a t i o n , o n t E t E Q t u d i E s e n f o n c t i o n d u t e m p s d e v i e i l l i s s e m e n t h 650'C. P o u r d e s t e m p s d e v i e i l l i s s e m e n t i n f C r i e u r s a
q u e l q u e s h e u r e s , l a c o m p o s i t i o n d e s p r E c i p i t e s v a r i e d a n s u n e l a r g e m e s u r e a l o r s q u e l a t a i l l e d e s p a r t i c u l e s r e s t e s e n s i b l e m e n t c o n s t a n t e . E n r e v a n c h e , d a n s l e s t a d e d e c o a l e s c e n c e l e s p r E c i p i t Q s 7' a t t e i g n e n t l e u r c o m p o s i t i o n d ' s q u i l i b r e a p r s s 25 h e u r e s .
A b s t r a c t : A c o n v e n t i o n a l t i m e of f l ight a t o m - p r o b e h a s b e e n u s e d f o r t h e i n v e s t i g a t i o n of t h e e a r l y s t a g e s of p r e c i p i t a t i o n o f 7' P h a s e in a n i c k e l b a s e s u p e r a l l o y . T h e m i c r o s t r u c t u r e p a r a m e t e r s , a s d e r i v e d f r o m c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e s , h a v e b e e n s t u d i e d a s a f u n c t i o n o f t h e a g i n g t i m e a t 650'C. F o r a g i n g t i m e s s m a l l e r t h a n a f e w h o u r s , t h e p r e c i p i t a t e c o m p o s i t i o n v a r i e s in a l a r g e e x t e n t w h i l e t h e p a r t i c l e s i z e r e m a i n s n e a r l y c o n s t a n t . In c o n t r a s t , in t h e c o a r s e n i n g s t a g e 7' p r e c i p i t a t e s r e a c h t h e i r e q u il i b r i u m c o m p o s i t i o n a f t e r t h e f i r s t 25 h o u r s .
D u e t o t h e i r g r e a t i n t e r e s t f o r a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s a n u m b e r o f n i c k e l b a s e s u p e r a l l o y s w e r e d e v e l o p e d in t h e p a s t . F o r i n s t a n c e , h i g h t e m p e r a t u r e s i n g l e c r y s t a l b l a d e s w e r e r e c e n t l y d e s i g n e d f o r a i r c r a f t e n g i n e s 1 . T h e s e m a t e r i a l s d e r i v e t h e i r e x c e l lent c r e e p p r o p e r t i e s f r o m t h e p r e s e n c e of 7' o r d e r e d p r e c i p i t a t e s f i n e l y d i s p e r s e d in a F C C s o l id s o l u t i o n . T h e c o m p o s i t i o n o f p a r t i c l e s is b a s e d o n N i 3 A 1 w h i l e t h e m a t r i x is a c h r o m i u m e n r i c h e d p h a s e .
V a r i o u s n i c k e l b a s e a l l o y s w e r e s t u d i e d in t h e p a s t . F o r i n s t a n c e , W e n d t et a 1 C2] r e c e n t l y i n v e s t i g a t e d t h e d e c o m p o s i t i o n P r o c e s s in a b i n a r y N i Al a l l o y . T h e y s h o w e d , in c o n t r a s t t o H i l l a n d R a l p h r e s u l t s C 3 1 , t h a t t h i s m a t e r i a l o b e y s c l a s s i c a l l a w s . T h i s p a p e r i s a i m e d a t r e p o r t i n g s o m e a t o m - p r o b e i n v e s t i g a t i o n s w e m a d e on t h e e a r l y s t a g e s of f o r m a t i o n of 7 ' p r e c i p i t a t e s in a s i m p l i f i e d s u p e r a l l o y C 4 1 . T h e m i c r o s t r u c t u r e P a r a m e t e r s a s wel l a s t h e p h a s e c o m p o s i t i o n w e r e f o l l o w e d a s a f u n c t i o n of t h e a g i n g t i m e . T h e
i s o t h e r m a l h e a t t r e a t m e n t w a s c a r r i e d o u t a t T = 650'C.
I I - E X P E R I M E N T A L
T h e s i m p l i f i e d s u p e r a l l o y s w e s t u d i e d w e r e s u p p l i e d b y t h e O f f i c e N a t i o n a l d'Etudes et d e R e c h e r c h e s A E r o s P a t i a l e s CONERA). T h e m a t e r i a l s w e r e f a b r i c a t e d by p o w d e r m e t a l l u r g y t h e n , s o l u t i o n t r e a t e d 1 h o u r a t 1100'C. T h i s t r e a t m e n t w a s i m m e d i a t e l y f o l l o w e d b y a w a t e r
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987659
JOURNAL DE PHYSIQUE
q u e n c h in o r d e r t o a v o i d c l u s t e r f o r m a t ion a l r e a d y d u r i n g c o o l i n g . T h e k i n e t i c s of p r e c i p i t a t i o n w a s f o l l o w e d f o r a g i n g t i m e s v a r y i n g f r o m 1 5 m n t o 5 0 0 h a t T = 6 5 0 ° C . E v e r y e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d u s i n g a c o n v e n t i o n a l a t o m - p r o b e o p e r a t i n g a t T
"
4 0 K in a v a c u u m of a f e wT o r r .
N i c k e l b a s e a l l o y s a r e k n o w n t o b e v e r y s e n s i t i v e t o P r e f e r e n t i a l e v a p o r a t i o n e f f e c t s [4], [ S ] . A l o w s p e c i m e n t e m p e r a t u r e C 4 0 K ) a s well a s a h i g h pulse. f r a c t i o n C 2 0 % > w e r e u s e d in o r d e r t o p r e v e n t s u c h e f f e c t s f r o m i n t e r f e r i n g . In a d d i t i o n , t h e a v e r a g e d n u m b e r of P u l s e s p e r c o l l e c t e d ion w a s k e p t g r e a t e r t h a n 20 s o t h a t t o m i n i m i z e P i l e - u p a r t i f a c t s .
I I I - R E S U L T S A N D Dl S C U S S I ON
A t y p i c a l m a s s s p e c t r u m of t h e a s - q u e n c h e d m a t e r i a l i s g i v e n f i g u r e 1. T h e o v e r a l l c o m p o s i t i o n of t h e s u p e r a l l o y a s m e a s u r e d b y t h e a t o m - p r o b e i s c o m p a r e d in t a b l e 1 t o t h e n o m i n a l c o m p o s i t i o n g i v e n b y t h e O N E R A . T h e v e r y g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n b o t h d a t a s e t s s h o w s t h a t t h e e x p e r i m e n f a l c o n d i t i o n s a r e o p t i m u m .
N i + Co, A t o m - p r o b e
(46000 i o n s )
N o m i n a l 4 . 2 6 1 0 . 8 6 8 3 . 4 6
c o m p o s i t ion
T a b l e 1
S t a t i s t i c a l t e s t s a s wel 1 a s a u t o c o r r e l a t ion a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d in o r d e r t o ensur.e t h a t n o p r e c i p i t a t i o n o c c u r s in t h e a s - q u e n c h e d s t a t e . N o Al r i c h n u c l e u s w a s a c t u a l l y d e t e c t e d .
T h e c o n c e n t r a t ion prof i l e s s h o w n in f i g u r e 2 i l l u s t r a t e t h e f l u c t u a t i o n s w h i c h a r e o b s e r v e d f o r a n a g i n g t i m e of I h a t 650.C. T h e 7 ' p r e c i p i t a t e s a p p e a r a s C A l , T i ) e n r i c h e d a n d C r d e p l e t e d z o n e s . B e c a u s e o f t h e l a r g e c o n c e n t r a t ion f l u c t u a t i o n s , t h e i n t e r p r e t a t ion o f prof i l e s is s o m e w h a t dif f icul t . I t is s o m e t i m e s del i c a t e t o d e c i d e w h e t h e r a c o n c e n t r a t ion P e a k i s a p a r t i c l e o r n o t .
In s p i t e of t h e s e p r o b l e m s , it h a s b e e n p o s s i b l e t o d e r i v e t h e m i c r o s t r u c t u r e p a r a m e t e r s of t h e m a t e r i a l a s w e l l a s t h e p h a s e c o m p o s i t ion f r o m t h e c o n c e n t r a t ion s i g n a l f e a t u r e s . T a b l e 2 g i v e s t h e a t o m - p r o b e d a t a o b t a i n e d . F o r t h e a l l o y a g e d f o r I h t h e p a r t i c l e s i z e , t h e v o l u m e f r a c t i o n a n d t h e n u m b e r d e n s i t y h a v e b e e n c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e m e t h o d w e d e s c r i b e d last y e a r [6]. T h e a v e r a g e d l a t e r a l r e s o l u t i o n w a s c l o s e t o 1 5 A .
It i s n o t e w o r t h y t o n o t i c e t h e p a r t i c l e d i a m e t e r cb a s d e d u c e d f r o m t h e a p p a r e n t s i z e 2 of e n r i c h e d r e g i o n s [1] w a s f o u n d in g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e v a l u e o f t h e f i r s t m i n i m u m k g in t h e a u t o c o r r e l o g r a m . In a d d i t ion t h e v o l u m e f r a c t i o n F, a s c a l c u l a t e d f r o m t h e l i n e a r f r a c t i o n P C [?I i s a l s o c o m p a t i b l e w i t h t h e m e a s u r e d p h a s e c o m p o s i t ion ( t a b l e 3). T h e o v e r a l l c o m p o s i t i o n C , a s d e d u c e d f r o m t h e l e v e r r u l e CF, = 1 . 5 X ) i s c l o s e t o t h a t g i v e n in t a b l e 1 .
T a b l e 2 s i z e .e
of e n r i c h e d r e g i o n s 3 6 A
P a r t ic l e d i a m e t e r
+
5 0 + 16 A
Cornposit ion
T a b l e 3 f r a c t i o n
e
1 3 . 1 % V o l u m e f r a c t i o n F, 1 . 5 % f 0.4%
T h e e v o l u t i o n of t h e p a r t i c l e s i z e @ a n d t h e n u m b e r d e n s i t y N, a s a f u n c t i o n of t h e a g i n g t i m e is e x h i b i t e d in f i g u r e s 3 a n d 4 . H o w e v e r , t h e r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e p r e c i p i t a t i o n p r o c e s s is c o m p o s e d o f t w o d i s t i n c t r e g i m e s . F o r . a g i n g t i m e s m a l l e r t h a n o n e h o u r t h e p a r t i c l e s i z e i s n e a r l y c o n s t a n t w h i l e t h e n u m b e r d e n s i t y N u i s o b s e r v e d t o i n c r e a s e w i t h t i m e . In c o n t r a s t , f o r l a r g e r a g i n g t i m e s , t h e z o n e r a d i u s i n c r e a s e s a p p r o x i m a t e l y a s ti'3while N u d e c r e a s e s
b e t w e e n p a r t i c l e s
-
P 2 6 0 A N u m b e r d e n s i t y N u 1 . 2 10" p a r t / c m 3
p r o p o r t i o n a l l y t o t-' . T h e s e t w o t i m e r a n g e s a r e t h o u g h t t o b e a s s o c i a t e d w i t h t h e n u c l e a t i o n - g r o w t h of n u c l e i a n d t h e s u b s e q u e n t c o a r s e n i n g of p a r t i c l e s . T h e o b s e r v e d g r o w t h l a w a s w e l l a s t h e t i m e d e p e n d a n c e o f t h e d e n s i t y a r e , b e s i d e s , in a r e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t h t h e well k n o w n t h e o r y o f d i f f u s i o n c o n t r o l l e d c o a r s e n i n g d e v e l o p e d b y L i f s h i t z , S l y o z o v a n d W a g n e r C81, [9]. S u c h l a w s h a v e b e e n o b s e r v e d in n u m b e r of c a s e s e s p e c i a l 1 y f o r n i c k e l b a s e a l l o y s [ 2 ] . T h e s e m a t e r i a l s a r e a c t u a l l y g o o d c a n d i d a t e s b e c a u s e i m p o r t a n t h y p o t h e s e s of t h e t h e o r y a r e s a t i s f i e d ( s m a l l i n t e r f a c i a l e n e r g y , s p h e r i c a l P r e c i p i t a t e s > .
T h e A l + T i a n d C r c o n c e n t r a t i o n s in p a r t i c l e s a r e g i v e n in f i g u r e 5 a s a f u n c t i o n of t h e a g i n g t i m e . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e c i p i t a t e c o m p o s i t i o n c h a n g e s in a l a r g e e x t e n t in t h e e a r l y s t a g e s o f t r a n s f o r m a t i o n , t h a t is f o r t h e n u c l e a t ion s t a g e . H o w e v e r , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e s t a t i s t i c a l f l u o t u a t i o n s , o n e c a n s e e t h a t p r e c i p i t a t e s r e a c h t h e i r s t e a d y - s t a t e c o n c e n t r u t ion a f t e r t h e f irst 2 5 h o u r s . In a d d i t i o n , e x p e r i m e n t a l d a t a m a y b e i n t e r p r e t e d a s t h e s u b s t i t u t i o n of c h r o m i u m o n a l u m i n i u m s i t e s of t h e o r d e r e d Ni,CAl+Ti)
JOURNAL DE PHYSIQUE
T h e f i g u r e 6 s h o w s t h e e v o l u t i o n o f t h e m a t r i x c o n c e n t r a t i o n d u r i n g t h e d e c o m p o s i t i o n p r o c e s s . A s e x p e c t e d , t h e A 1 s u p e r s a t u r a t i o n d e c r e a s e s s l o w l y w h i l e t h e c h r o m i u m l e v e l i n c r e a s e s . T h e v o l u m e f r a c t i o n as d e d u c e d f r o m p h a s e c o m p o s i t i o n v a r i e s f r o m 8 X t o 1 4 % i n t h e c o a r s e n i n g s t a g e .
A s a c o n c l u s i o n , t h e a t o m - p r o b e i n v e s t i g a t i o n s w e p e r f o r m e d s h o w t h a t 7' p a r t i c l e s f o r m v i a n u c l e i t h e A 1 c o n c e n t r a t i o n o f w h i c h i n c r e a s e s w i t h a g i n g t i m e w h i l e t h e c h r o m i u m l e v e l d e c r e a s e s . I n s p i t e o f t h i s , n o p e r i o d i c a l l y d i s p e r s e d e n r i c h e d z o n e s w e r e o b s e r v e d . I n a d d i t i o n , t h e r e s u l t s m a y b e i n t e r p r e t e d i n t h e s c o p e o f t h e c l a s s i c a l L S W t h e o r y .
A C K N O W L E D G M E N T S
-
T h e a u t h o r s w i s h t o t h a n k D r s W a l d e r a n d M a r t y f r o r n t h e O N E R A w h o s u p p l i e d t h e s a m p l e s f o r f r u i t f u l d i s c u s s i o n s . T h i s w o r k h a v e b e e n f i n a n c i a l l y s u p p o r t e d b y t h e D i r e c t i o n d e s R e c h e r c h e s E t u d e s e t T e c h n i q u e s [ D R E T c o n t r a t N e 8 4 / 1 2 3 0 a n d 8 5 1 1 4 2 4 3 w e w o u l d l i k e t o a c k n o w l e d g e .
R E F E R E N C E S
D . B L A V E T T E a n d A . B O S T E L A c t a M e t 3 2 ( 1 9 8 4 ) 8 1 1 H . W E N D T a n d P . H A A S E N , A c t a M e t . 3 1 ( 1 9 8 3 ) 1 6 4 9
S . A . H I L L a n d B . R A L P H , P r o c . o f C o n f . P h a s e T r a n s f . , Y o r k , I n s t i t u t i o n o f M e t . C o n f . , v o l . 2 , s e r . 3 , 1 1 C 1 9 7 9 ) 4 4
D . B L A V E T T E , A . B O S T E L , J . M. S A R R A U M e t . T r a n s 16 A ( 1 9 8 5 ) 1 7 0 3 K . M . D E L A R G Y a n d G . D . W . S M I T H , M e t . T r a n s . 1 4 A ( 1 9 8 3 ) I 7 7 1 D . B L A V E T T E a n d S . C H A M B R E L A N D J . d e P h y s . C7-11 t 4 7 ( 1 9 8 6 ) 2 8 1 D . B L A V E T T E , A . M E N A N D a n d A . B O S T E L , T h i s s y m p o s i u m
I . M. L I P S H l T Z , V . V . S L Y O Z O V , J . P h y s . C h e m . S o l i d s 1 9 C 1 9 6 1 > 3 5 C . W A G N E R , 2 . E l e k t r o c h e m i e 6 5 C 1 9 6 1 ) 5 8 1
F i g u r e 1 : M a s s s p e c t r u m o f t h e a s - q u e n c h e d N i c k e l B a s e S u p e r a l l o y
F i g u r e 2 : C o n c e n t r a t i o n p r o f i l e s o b t a i n e d f o r t h e m a t e r i a l a g e d f o r l h a t 6 5 0 ' C . 7' P a r t i c l e s a p p e a r as C A I , T i ) e n r i c h e d r e g i o n s .
F i g u r e 3 : T h e p a r t i c l e s i z e a s a f u n c t i o n o f t h e a g i n g t i m e a t 650'C
JOURNAL DE PHYSIQUE
F i g u r e 4 : T h e n u m b e r d e n s i t y v e r s u s t h e a g i n g t i m e a t 6 5 0 - C
F i g u r e 5 : M e a s u r e d c o n c e n t r a t i o n s in 7' p a r t i c l e s a s a f u n c t i o n o f t h e a g i n g t i m e a t 6 5 0 . 1 2
15
F i g u r e 6 : H a t r i x c o m p o s i t i o n v e r s u s t h e a g i n g t i m e a t 6 5 0 ° C
