超高温Pt-Rh-Re合金中Re元素赋存态的热力学设计与强化机理研究

Pt-Rh alloy is the most potential space engine thruster nozzle material at present. It is of great significance to further improve the high temperature mechanical properties of Pt-Rh alloy to prolong the life of the spacecraft. On the basis of a large number of previous studies, the project proposed that the rare earth elements added into Pt-Rh alloy to construct Pt-Rh-Re alloy, so as to meet the use requirements of high temperature above 1500℃..In fact, the addition of Re in the three element Pt-Rh-Re alloy is very little, and the occurrence state in the alloy is very complex, and the strengthening mechanism is very unclear. This scientific problem greatly restricts the further development of the thruster nozzle materials in China. In order to reveal the strengthening mechanism of Pt-Rh-Re alloy, to obtain the optimum preparation process, and to guide the actual preparation process, based on the first principle, molecular dynamics and thermodynamic calculation, this project studied on thermodynamic properties of precipitate phase and the microstructure of the alloy, which help search and understand the specific distribution of Re, give the strengthening basis in theory; the formation, structure, distribution and evolution of the precipitated phase can be illuminated in the light of the multi-scale microstructural characterization. This project will provide theoretical basis and technical support for the research of super-high temperature structural materials.

Pt-Rh合金是目前最具潜力的航天发动机推力器喷管材料。进一步提升Pt-Rh合金的高温力学性能，对延长航天器寿命意义重大。在前期大量的研究基础之上，本项目提出在Pt-Rh合金中添加稀土元素Re，构建三元系Pt-Rh-Re合金，以期满足1500℃以上高温的使用要求。.实际上，三元系Pt-Rh-Re合金中稀土Re元素的添加量很少，在合金中的赋存态异常复杂，强化机制极不明朗。这一科学问题极大地制约了我国推力器喷管材料的进一步发展。为了揭示Pt-Rh-Re合金的强化机理，获得最佳制备工艺，指导实际制备过程。本课题通过第一性原理、分子动力学和相图热力学计算，研究各析出相的热力学性质，探讨合金系的微观组织形态，帮助搜索和理解Re元素的具体分布，从理论上给出强化依据；结合多尺度微结构表征，从实验上阐明析出相的形成、结构、分布及其演变规律。本课题可以为超高温结构材料的研究提供理论依据和技术支撑。

随着国际上航天技术的飞速发展，对能在更高温度（1500℃以上为超高温）、强氧化及强腐蚀等极端环境条件下使用的高温新材料提出了迫切的需求。推力器喷管是航天发动机的核心部件，喷管材料的高温性能与发动机性能直接相关。因此，结合目前国内条件开发新型Pt-Rh-RE合金喷管高温新材料，并探讨其高温强化机制有重要科学意义。.项目使用第一性原理优化了合金的成分组成，计算了各析出相的高温力学规律，揭示了稀土La和Ce元素的强化机制；利用第一性原理和实验数据构建了Pt-Rh合金的分子动力学势函数，并获得了Pt-Rh的纳米合金相图；随后通过各种先进的分析与测试技术，探讨了揭示各类强化相的数量和分布规律，厘清了微观组织结构和宏观使用性能之间的热动力学作用机理。.结果表明，Pt-30Rh-0.2Zr-0.2Y合金的结构最稳定，其完全固溶结构的高温高压力学性能优异。此外，在嵌入原子模型的基础上进一步开发了适用于 Pt-Rh 合金的原子间势，发现随着Rh含量的增加，Pt-Rh合金的常温力学性能和高温力学性能都有显著的提升，但Rh含量大于40%时加工变得困难，并且此时继续增加Rh的含量并不能明显提高合金强度。与此同时，还给出了Pt-Rh 合金的纳米相图，这些热力学数据可为合金的表面纳米化制备高效涂层提供理论依据。更重要的是，利用高分辨透射电镜揭示了合金强度的提高原因如下：固溶强化和第二相强化共同作用，且添加的RE元素与Pt形成了六方结构的Pt5RE金属间化合物，这些金属间化合物存在于晶内和晶界上，与基体存在特定的取向关系，即[112̅0]P//[011]M，（0001）P//（111̅）M和[101̅0]P//[011]M，（0001）P//（1̅11̅）M。.基于上述研究成果，项目组还提出利用表面纳米化孪晶+第二相稀土粒子钉扎能显著增强热障涂层的结合强度和延展性的新思路，初步研究表明这一思路可以进一步提升新型Pt-Rh-RE合金的高温使用性能。本项目可为新型Pt-Rh-RE合金喷管高温新材料的开发和高温强化机制设计提供技术支撑，具有一定的应用前景。