[發明專利]一種影響鎳合金TCP形成元素分配行為的表征方法

在審

• 申請號: 201710401461.3
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107422095A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 孟雪欣;李沖;劉永長;余黎明;李會軍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N33/20
• 分類號: G01N33/20
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙)11504
• 代理人: 宋林清

技術領域：

本發明涉及合金成分對鎳基合金中TCP相形成元素在γ和γ'相界面處分配行為的影響領域，基于第一性原理的計算方法。

背景技術：

鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫性能，是目前制造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的關鍵材料。在合金中添加W、Re、Cr、Mo等難熔元素能明顯起到強化作用。但是，難熔元素大量偏聚在基體γ相中會導致析出TCP相。TCP相作為脆性相，嚴重影響了合金的塑性韌性以及使用壽命。

實驗表明，Ru、Co等一些其他合金化元素可以改變TCP相形成元素在合金中的分配，使它們更多分布在γ'相中，從而有效抑制TCP不穩定相的形成。到目前為止，對合金元素分配行為的研究集中在實驗上，主要是直接測量元素在兩相中的分配，但是鎳基高溫合金中存在大量的γ/γ'相界，難熔元素在相界面上及其附近的分布和強化作用還很難從實驗中獲得。有研究者利用計算機模擬，通過將一個Ru原子摻雜在界面上，研究Ru對TCP相形成元素分配行為的影響，但沒有綜合考慮摻雜原子的含量，排列緊密程度，以及不同摻雜原子的協同影響。

發明內容：

鑒于現有技術存在的局限性，本發明提供一種表征方法，研究合金成分Ru，Co等對TCP相形成元素在界面附近分配行為的影響。涉及合金種類、含量、排列緊密程度，以及不同原子的協同影響。本發明采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，建立三維超晶胞界面模型，用Ru、Co等合金元素替換界面處的Ni和Al原子，改變替換原子的數量，排列緊密程度從而綜合考慮合金元素的影響。用不同種類的合金元素同時替換界面處原子，研究合金元素之間可能存在的協同作用。

一種影響鎳合金TCP形成元素分配行為的表征方法，所述表征方法有如下步驟：

步驟一，建立2×2×3超晶胞模型，上面一半區域為Ni₃Al晶體結構，下面一半區域為Ni單質晶體結構，分別代表了理想的增強相γ'和基體相γ。由于兩相的晶格常數接近，所以可以設定γ'相沿特有的取向關系從γ相中析出形成完整的共格界面。

步驟二，將γ'相中的一個Ni原子分別用W、Re、Cr或Mo替換，代表TCP相形成元素分布在γ'相中；然后將γ相中的一個Ni原子分別用W、Re、Cr或Mo替換，此時γ'相中恢復為Ni原子，代表TCP相形成元素分布在γ相中；分別計算這兩種情況下的形成能。

步驟三，計算沒有別的合金元素摻雜的情況下，W、Re、Cr和Mo在γ相和γ'相之間的分配系數。

根據統計熱力學基本觀點，在給定的溫度T下晶體點缺陷的平衡濃度符合Arrhenius關系：C_d＝A exp(-E_f/kT)，其中E_f是點缺陷的形成能，A是與材料有關的常數，k為玻爾茲曼常數。可知點缺陷形成能越大平衡濃度越低?；诖硕x元素在兩相中的的分配系數為：K^γ/γ’＝C_d-γ/C_d-γ’＝exp[(E_fγ’-E_fγ)/kT]。其中C_d-γ為元素在γ相中的平衡濃度，而C_d-γ’是在γ'中的平衡濃度。E_fγ’是元素替換γ'相中Ni原子的形成能，而E_fγ則是替換γ相中Ni原子的形成能。

基于以上定義的分配系數，當K^γ/γ’＞1時，說明元素趨向于分配到γ相中；當K^γ/γ’＜1時，說明元素首先選擇進入γ'相。

步驟四，用一種可能影響TCP相形成元素分配的合金原子替代共格界面體系界面處的Ni或Al原子，重復二、三步驟，計算W、Re、Cr和Mo在兩相中的形成能和分配系數；與摻雜前的元素分配系數進行對比，研究這種元素是否影響TCP相形成元素的分布；改變替換合金原子的個數，計算形成能和分配系數，研究合金原子的濃度對元素分配行為的影響；形成能越低，體系越容易形成。分配系數變小，則TCP相形成元素與之前相比更容易分配到γ'相中，若分配系數小于1，說明元素趨向于分配到γ'相中。

步驟五，改變可能影響TCP相形成元素分配行為的合金原子在界面上的排布的緊密程度，重新計算W、Re、Cr和Mo在兩相中的形成能和分配系數；研究合金原子排布的松散和緊密對分配行為產生的影響；如果合金原子排布緊密時，分配系數更小，則說明在界面處排布緊密的合金原子對TCP形成元素向γ'相中轉移的作用更明顯，反之則排布松散的合金原子作用更顯著。