Phase Lab鎳基數(shù)據(jù)庫(kù),輔助開(kāi)發(fā)Ni-AI-Cr-X系高溫合金

Phase Lab鎳基數(shù)據(jù)庫(kù)

輔助開(kāi)發(fā)Ni-AI-Cr-X系高溫合金

Ni-Al-Cr-X四元系(X=Mo、Ti和W)，基于γ基體相(FCC_A1結(jié)構(gòu))與γ'有序相(FCC_L12結(jié)構(gòu))的協(xié)同效應(yīng)，展現(xiàn)出開(kāi)發(fā)高性能高溫鎳基合金的巨大潛力。其中Al元素是γ'相的形成來(lái)源，Mo、Ti和W等其他合金元素一方面可以有效增強(qiáng)基體相固溶強(qiáng)化效果，另一方面可以優(yōu)化γ'相的析出行為。深入研究合金元素對(duì)Ni-Al-Cr-X四元系乃至更高組元在熱力學(xué)平衡或非平衡條件下的物相組成規(guī)律，對(duì)調(diào)控鎳基合金微觀組織和性能至關(guān)重要。

基于計(jì)算熱力學(xué)理論(#CALPHAD方法#)構(gòu)建的鎳基合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，可預(yù)測(cè)復(fù)雜體系在熱力學(xué)平衡或非熱力學(xué)平衡下的物相組成。當(dāng)前Phase Lab已經(jīng)上線的鎳基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋11種基礎(chǔ)合金元素，可滿足典型鎳基合金體系的熱力學(xué)計(jì)算需求。 （一）Phase Lab計(jì)算Ni–Al–Cr–Ti體系 在Ni-Al-Cr-Ti體系中，約有10%Ti元素進(jìn)入γ固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用；另外90%進(jìn)入γ'相，代替γ'-Ni3Al相中的Al原子，形成Ni3(Al, Ti)，提高γ'相的析出溫度與相分?jǐn)?shù)，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，進(jìn)而提升合金的瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。此外，γ'相中存在的Ti原子還可以提高反相疇界能，從而強(qiáng)化切割機(jī)制引起的強(qiáng)化效應(yīng)。采用Phase Lab軟件計(jì)算不同溫度和Ni含量條件下Al、Cr和Ti合金元素的添加含量對(duì)γ/γ'相平衡的影響，如圖1所示，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可輔助調(diào)控Ni-Al-Cr-Ti系中合金元素以及微觀組織含量。

圖1 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Ti四元系等溫截面計(jì)算相圖

(a) x(Ni)=0.75,T=750℃; (b) x(Ni)=0.75,T=1000℃;

(c) x(Ni)=0.715,T=1000℃; (d) x(Ni)=0.715,T=1100℃；

(e) x(Ni)=0.765,T=1000℃; (f) x(Ni)=0.765,T=1100℃

（二）Phase Lab計(jì)算Ni–Al–Cr–Mo體系

Ni–Al–Cr–Mo體系中，Mo元素主要傾向于在γ基體中固溶，在高溫時(shí)阻礙Al、Ti和Cr的擴(kuò)散，增強(qiáng)擴(kuò)散激活能，加強(qiáng)原子結(jié)合力，減緩合金的軟化速率，提高合金的屈服強(qiáng)度?；阪嚮鶡崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Phase Lab計(jì)算Ni-Al-Cr-Mo體系的物相組成(見(jiàn)表1)，有助于理解Mo元素添加量對(duì)γ/γ'相平衡的影響。

表1 Ni-Al-Cr-Mo系900℃下γ和γ'相分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)值/計(jì)算值對(duì)比

圖2 γ和γ'相分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)值/計(jì)算值對(duì)比

基于表1所示的實(shí)驗(yàn)信息，圖2(a)和(b)分別展示了γ和γ'相的摩爾相分?jǐn)?shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果，一定程度可用于數(shù)據(jù)庫(kù)可靠性的驗(yàn)證。另外，如圖3所示，基于Phase Lab軟件計(jì)算Ni-Al-Cr-Mo四元系在不同溫度和Ni含量下的等溫截面相圖，對(duì)含Mo鎳基合金體系的成分與組織調(diào)控具有重要指導(dǎo)意義。

圖3 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Mo四元系等溫截面計(jì)算相圖

(a) x(Ni)=0.76,T=1523K; (b) x(Ni)=0.755,T=1273K; (c) x(Ni)=0.76,T=1073K

（三）Phase Lab計(jì)算Ni–Al–Cr–W體系

W元素通過(guò)固溶強(qiáng)化機(jī)制增強(qiáng)合金的強(qiáng)度，同時(shí)顯著提高鎳基合金的硬度和耐磨性，并改善鎳基合金的耐腐蝕性能。然而，鎳基合金中大量W元素的添加，容易富集在枝晶干區(qū)域，提高γ基體中固溶元素的過(guò)飽和度，導(dǎo)致TCP相的析出，降低固溶強(qiáng)化效果，最終導(dǎo)致合金強(qiáng)度的下降。基于Phase Lab鎳基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，易于深入理解多組分鎳基體系的平衡相圖，在控制γ基體和γ'有序相合理共存的同時(shí)，避免可能析出的各種有害金屬間化合物相。圖4開(kāi)展了Ni-Al-Cr-W四元系熱力學(xué)平衡計(jì)算，構(gòu)建了體系合金成分-物相組成-溫度的定量化關(guān)系，可以為合金成分設(shè)計(jì)與組織/性能調(diào)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖4 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-W四元系等溫截面計(jì)算相圖

(a) x(Ni)=0.71,T=1173K; (b) x(Ni)=0.71,T=1273K;

(c) x(Ni)=0.76,T=1173K; (d) x(Ni)=0.76,T=1273K;