Ni基高温合金的团簇成分式及其应用

Ni-based superalloys are characterized by complex composition feature, which constitutes the major challenge in the alloy development. Since the (γ΄+γ) dual-phase microstructure merges into a single solid solution parent phase at higher temperatures, the superalloy compositions should arise from the chemical short range orders in the parent state. In our previous work, we introduced the cluster-plus-glue-atom model to study the composition rule. This model describes the chemical short range order in terms of a nearest-neighbor cluster plus a few inter-cluster glue atoms, also called the chemical unit of the solid solution, mimicking the molecule for a chemical substance. Superalloys satisfy a general cluster formula, [Al-Ni12](Al,Cr)x, where each element symbol represents all similar elements. And the alloys possessing the best temperature capabilities fall close to [Al-Ni12](Al1.5,Cr1.5). The present project aims at proposing a more complete cluster packing model, i.e., a super cluster packing model, which considers the special chemical units in γ΄ and γ, respectively. Then, a useful composition design method will be put forward after understanding the classification scheme of the elements. Furthermore, a control rule on the (γ΄+γ) coherent microstructure will also be established, which is related to the cluster formula. This method will finally be validated by designing and optimizing Co and Ta containing cost-effective superalloys. The implement of the present research project will provide a theoretical support for the composition design of Ni-based superalloys and simplify significantly the alloy development.

复杂成分是发展Ni基高温合金所面临的首要挑战，其组织表现为有序γ΄相在γ固溶体基体上的共格析出，而成分与更高温下γ固溶体的化学近程序结构密切相关。我们在前期工作中，引入团簇加连接原子结构模型，初步给出了高温合金的成分规律。该模型将化学近程序描述为最近邻配位多面体团簇加上若干位于团簇之间的连接原子，构成类分子的结构单元，满足团簇成分式[Al-Ni12](Al,Cr)x(每个元素符号代表与其类似的所有元素)。本项目将在此基础上，明确γ΄和γ相的特征团簇结构单元，建立能展现所有溶质元素分布的超团簇结构模型；进而阐明合金化元素的分类机理，提出实用合金成分设计方法；建立与团簇成分式相关的γ΄/γ共格组织调控准则，并运用和验证该方法，发展含Co、Ta的廉价高温合金。本项目的实施为镍基高温合金成分设计提供一种新的理论支撑，可大幅简化研发流程。

Ni基高温合金优异的高温力学性能得益于球形或方形的L12-γ'纳米粒子在FCC-γ固溶体基体上的共格析出。有序共格强化、γ'粒子形貌及γ/γ'共格组织稳定性取决于γ/γ'点阵错配度，这与合金化学成分密切相关。然而，高温合金的多元合金化致使成分复杂，需要适当的成分设计方法实现元素间的合理匹配，以获得优异组织和性能所需的点阵错配度。本项目基于固溶体结构的局域化学短程序特征，提出了可作为Ni基高温合金材料基因的团簇成分式结构单元；以此探索了现有Ni基高温合金的成分演化规律，将合金化元素分为稳定γ'的Al系元素、固溶于基体中的Cr系元素、以及基体Ni系元素，指出高温组织稳定和力学性能优异的高温合金都满足团簇成分式[Al-Ni12](Al,Cr)m (m=3)，并确定了Ni基高温合金的成分设计方法。进而，以理想团簇式[Al-Ni12]((Al,Ti,Nb,Ta)1.5(Cr,Mo,W)1.5)为基础，结合高熵合金化原则匹配各系元素，获得了高γ'含量析出(>70 %)系列廉价Ni基高温合金，在900℃长期时效500 h后，方形γ'粒子粗化速率缓慢，展现出优异的高温组织稳定性；并借助点阵错配度，探究了Al/Ti/Nb/Ta、Cr/Mo/W与Co添加对合金γ/γ'共格组织形貌及其稳定性的影响。结合实验表征，利用相场模型方法，模拟了共格组织的演化过程，从中确定出共格相点阵错配度及弹性模量张量的各向异性差是影响方形纳米粒子析出的关键因素。在此基础上，利用团簇式成分方法对新型γ/γ'强化的Co基高温合金进行了成分解析，探索了Ni基和Co基高温合金的在成分发展中的异同点，初步确定了Co基高温合金的团簇成分式[Al-Co12](Al,Co)3；在Co/Ni-Al/Ti/Nb/Ta/W-Cr/Mo体系中成功设计出系列具有方形γ'纳米粒子在γ基体上共格析出的低成本轻质高组织稳定的Co基高温合金；其中γ'粒子析出的体积百分数可通过改变Al元素在团簇式中的原子个数来调控，获得的新型Co基高温合金在900℃长期时效500 h后，γ'粒子仍为方形，粗化缓慢，且晶界无其他相析出；进而探究了Ti/Nb/Ta及Mo/W含量变化对γ/γ'共格组织形貌及其稳定性的影响。团簇成分式设计方法为解决Ni/Co基高温合金现存的成分问题提供了一种新的设计思想和途径，具有科学意义和工程价值。