镍基合金热障涂层系统中的界面元素效应及合金优化

先进航空发动机和地面(含海上)燃气轮机用高温热障涂层系统，面临日益苛刻的高可靠性和长寿命要求。本项目拟针对基体合金及其涂层关键界面，通过第一原理热力学建模和自洽电荷密度能量泛函计算，（1）对若干常见合金元素和杂质的界面偏聚行为（含基体内相界和基体/热生长层界面）开展研究，确定其对界面化学成键和界面强度的影响性质；（2）研究以合金化途径实现对有害杂质钉扎的可能性，及其高温有效性，阐明微观钉扎的物理机理，丰富现有合金元素评估体系；（3）以微观界面行为与效应为基础，揭示此类复杂界面体系的化学环境-微观结构-宏观性能相关性。本项目研究，是申请人在美国多年计算研究工作基础上的继续和深入，研究内容对认识合金和杂质元素在实际服役工况条件下的作用性质和作用机理，优化现有合金组分，进一步提升航空发动机和燃气轮机可靠性和使用寿命，具有重要指导意义。也为今后合金科学设计和材料界面科学，提供新的研究思路和研究案例

先进航空发动机和地面(含海上)燃气轮机用高温热障涂层系统，面临日益苛刻的高可靠性和长寿命要求。本项目针对镍基合金及其涂层关键界面，通过第一原理热力学建模和自洽电荷密度能量泛函计算，开展了（1）制备或服役热力学环境与热生长Ni(Al)/Al2O3层界面结构和性能的相关性研究，及相应的界面相图计算；（2）典型的稀土元素（Y、Ce），近稀土元素（Zr、Hf），贵金属元素（Pt）添加对杂质S钉扎、热生长界面偏聚，及相应的界面元素效应进行定量评估；（3）合金基体中强化相界面（γ/γ’-Ni3Al）研究，包括界面结构、理想结合强度、杂质和合金元素的界面偏聚行为及其效应等问题。基于前三项研究，揭示了热生长这一原位择优氧化过程的热力学本质，并提出了面向涂层界面的高温合金优化设计策略，即（1）即便考虑强化相相界，热生长界面仍然是涂层系统中最危险界面；（2）在镍基合金基体中钉扎有害杂质S的能力：Ce>Zr=~Y=~Hf》Pt。（3）对结合强度较高的富Al型热生长界面（热力学平衡界面）的直接强化作用：Zr>Y=~Hf>Ce》Pt。（4）对结合强度较低的化学计量比型热生长界面（非热力学平衡界面）的直接强化作用：Zr>Y=~Hf>Ce》Pt。（5）最优方案是Zr和Ce的联合添加。由于这些元素的添加量受限于其在镍基基体中的有限固溶度，还可以考虑进一步添加Hf和Y，但合金成本也相应增加。研究结果在中南大学高温合金研究所自主研发的CSU-B2型高温镍单晶合金中获得了应用。.进一步地，我们将本项目中发展起来的第一性原理界面热力学计算研究方法，与原子扩散动力学实验和计算结合，成功推广应用于氧化物弥散强化型合金的原位内氧化制备，包括微纳米ODS铜和ODS银合金工业电极和核反应堆用纳米特征高温铁素体合金（ODS钢）的研究，并首次在界面层次上实现了对原位制备复合材料微结构和性能演变的基础认识和定量预测。综合以上研究，撰写了综述性文章，全面介绍和论述第一性原理计算研究金属/氧化物界面问题的策略方法和应用实例。