镍基高温合金熔体结构及其液-液结构转变机制研究

Some key components of nickel-base superalloy in aeroengine, because of its large size , complex structure , and thin wall, the mold-filling difficulties exist in the investment casting process. Elevated pouring temperature can improve the filling capacity, but will result in coarse grains and more serious segregation in the thick parts, thus reduce the service performance of the components. The high temperature treatment of melt (HTTM) provides a new way to alleviate the contradiction. But, up to now, the HTTM mechanism is still unclear, but is expected to be related to the unclarified molten structure of the nickel-base superalloy, especially the possible temperature-induced liquid-liquid structural transition (LLST). By combining ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, X-ray diffraction (XRD), differential thermal analysis (DTA) and other experimental techniques, this project aims to clarify the effects of solute elements on the melt structure of nickel-base alloy, explore its possible temperature-induced LLST, the influences of the melt structure and possible LLST on the solidification process and the solidification structure of the model alloys. The research will provide a theoretical basis for the development of novel HTTM of nickel-base superalloy.

航空发动机镍基高温合金关键部件，因其大尺寸、复杂结构及薄壁特征，导致精密铸造过程中充型的困难。升高浇注温度可提高充型能力，但是会导致厚大部位晶粒粗大、偏析加重等，降低结构件的服役性能。熔体超温处理工艺（HTTM）为缓解该矛盾提供了新的思路。目前，HTTM的理论机制仍无定论，但与尚未澄清的镍基高温合金熔体结构有关，尤其是其中可能存在的温度诱导的液-液结构转变。本项目拟采用从头算分子动力学模拟与X射线衍射、差热分析等实验手段相结合的方法对模型合金进行研究，阐明合金元素对镍基合金熔体结构的影响规律，探索镍基合金熔体可能存在的温度诱导的液-液结构转变，揭示其转变机制，探明合金熔体结构及液-液结构转变对合金的凝固过程及凝固组织的影响规律，为开发镍基高温合金的新型熔体超温处理工艺提供理论基础。

镍基高温合金广泛应用于航空发动机的热端部件。正确认识镍基高温合金熔体的结构对发展凝固理论以及调控镍基高温合金凝固组织有着非常明显的积极意义。本项目采用从头算分子动力学模拟了Ni1-xMx（M =Fe、Co、 Al、Ti、Ta、Nb、Cr、Mo、W、Re、Os和Ru）和Ni-Al-X（X=Ta、Re和Mo）熔体，对熔体结构信息进行了分析表征。 .这些合金熔体中存在不同的化学序。二元Ni1-xMx熔体，当溶质元素种类在元素周期表上从左向右变换，熔体的化学序降低，异类元素间的相互作用减弱，以溶质为中心的配位数降低，溶质元素为中心的球壳致密性降低。溶质/溶剂元素为中心的球壳致密性差异与溶质的平衡分配系数存在关联性。Ni1-xMx（M = Al、Ti、Ta、Nb）熔体中由于Ni-M存在强相互作用，溶质原子尽量分散在熔体中以至于形成尽量多的Ni-M键。随着溶质浓度增大至0.25，这些Ni-M键可形成类似闪锌矿结构的Ni-M网络。.铝元素对Ni-Al-X（X=Ta、Re、Mo）体系中的X元素的Warren-Cowley化学序参数αXX有明显影响，使原本偏好分散于熔体中的Re和Mo偏聚，少量的铝元素就可以使Re发生偏聚。.Ni0.852Al0.148熔体在1723～2073K温度区间发生了液-液结构转变。差热分析实验证实了该熔体的液-液结构转变。当温度从1923K升高至1948K，Ni0.852Al0.148熔体的偏配位数ZAlNi突然大幅减小，ZAlAl突然大幅增大，Cargill-Spaepen化学序参数ηNiAl突然大幅减小。Ni0.852Al0.148熔体的液-液结构转变存在明显的焓变（578 Jmol-1）和熵变（0.3 Jmol-1K-1），属于一级相变。在Ni0.87Nb0.13和Ni0.852W0.148熔体中没有发现类似于Ni0.852Al0.148熔体的温度诱导的液-液结构转变。