镍铝合金交叠沉淀的协同动力学多维度研究

Long range ordered Ll2-Ni3X intermetallic precipitates is the strengthening phase of nickel-based superalloy. The precipitation dynamics of Ni3X determines the microstructure evolution and its spatial distribution, it is an important reference for the heattreatment of microstructure and the composition design. In this project, the phase-field dynamic simulation and 3D atom probe tomography (3D-APT) are adopted to study the precipitation dynamics of Ni3Al in Ni-Al alloy, including the multidimensional evolution dynamic with time, temperature and composition at 3D space from nucleation to coarsening, and the spatial distribution. The overlapping dynamic stages and laws of nucleation , growth and coarsening will be clarified by studing the synergism evolution and dynamic exponent of precipitates size, volume fraction and number density at different precipitation stage. The supersaturation of precipitates, variation of interface width of precipitate/matrix with the aging temperature and time, element partition and clustering at the interface region, and the composition evolution path will be investigated. The change law of precipitates size distribution, interphase distance and shape factor, and the correlation between spatial characteristic of precipitates will be clarified quantitatively. The project is helpful for understanding the internal relation and synergism evolution of composition and spatial characteristic during overlapping precipitation, provides basic theory and method for the quantitative study of alloy precipitation dynamics.

长程有序Ll2型Ni3X金属间化合物沉淀相是镍基高温合金的强化相。Ni3X的沉淀动力学决定着微观组织演化及其空间分布，是微观组织热处理和成分设计的重要依据。本项目采用相场动力学模拟和三维原子探针方法，研究Ni-Al合金中Ni3Al沉淀相从形核至粗化在三维空间随时间、温度和成分的多维度动力学演化及空间分布规律。通过沉淀相尺寸、体积分数和颗粒数密度的协同演化以及遵循的动力学指数，阐明形核、长大和粗化相互交叠的动力学阶段和演化规律。揭示沉淀相过饱和度、沉淀相/基体的界面宽度随时间的演化动力学及其与时效温度之间的关系，沉淀相/基体界面区域元素分离与偏聚行为和成分演化。明确沉淀相空间特征相关的尺寸分布、相间距和形状因子的演化规律，以及空间特征之间的关联及定量化描述。通过本项目研究理解合金交叠沉淀过程中成分和空间特征的内在关联与协同演化，为合金沉淀动力学定量化研究提供理论和方法基础。

镍基高温合金是航空发动机等热端部件首选材料，其优异的力学和耐腐蚀性能与γ′-Ni3Al相关。γ′相的形貌及其演变对合金的性能有直接影响，而γ′相的连续沉淀过程微观组织演化动力学规律、界面成分宽度及其与温度、成分和应变之间的关系仍不明晰。因此，研究镍基高温合金γ′相的微观组织演变和沉淀动力学规律，是合金成分设计、热处理和性能预测的重要基础。.本项目利用透射电镜实验与相场模拟方法研究了Ni-Al合金热处理条件下γ′相随时效时间、温度和应变的演变过程，并结合实验和理论模型预测证实了模拟结果的可靠性。主要结果如下：（1）建立了Ni-Al合金包含化学自由能、界面能和弹性应变能的相场动力学模型，通过模拟得到γ′相的微观形貌演变过程以及沉淀相的二次析出数据，阐明了γ′-Ni3Al相从形核到长大、粗化相互交叠三阶段析出过程γ′相尺寸－体积分数－颗粒数密度的协同演变动力学规律。（2）揭示了γ/γ′相成分界面宽度随时效温度、时效时间和沉淀相尺寸的演变规律以及两相界面处元素的贫化与富集行为，结果表明扩散速率对Ni3Al相伪调幅分解相转变机制以及相成分演变有显著影响。（3）通过定量研究γ′-Ni3Al相的尺寸和粗化速率，与LSW平均场理论模型、修正的LSW模型、BW模型比较，确定了析出相以两种粗化方式—连接合并机制和Ostwald熟化机制进行。阐明了γ′相颗粒尺寸演化和分布特征。（4）研究了晶格错配应变和γ′相体积分数对沉淀粗化速率、微观形貌、相变自由能和合金力学性能的影响规律，确定了低、中浓度Ni-(14-17) at.%Al合金中γ′相沉淀动力学以及合金硬度随时间的变化规律。.研究结果充实了镍基高温合金强化相γ′-Ni3Al的连续沉淀动力学的分阶段演变理论，揭示了多阶段相变动力学规律，是合金成分选择、热处理工艺研究和应用的理论基础。