[發明專利]基于數據驅動多組元鎳基高溫合金γ`相演化的預測方法

有效

• 申請號: 202011058865.5
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112185488B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 劉鋒;王澤鑫;譚黎明;王子;劉詠
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00
• 代理公司: 長沙智路知識產權代理事務所(普通合伙) 43244
• 代理人: 曲超

本發明公開了一種基于數據驅動多組元鎳基高溫合金γ'相演化的預測方法，包括以下步驟：通過合金擴散多元節技術高通量制備若干組多組元高溫合金擴散偶并進行擴散退火處理；通過檢測儀器檢測獲得每組擴散偶的成分?距離曲線；根據成分?距離曲線，建立多組元鎳基高溫合金基體相原子移動性數據庫并驗證所獲得的原子移動性數據庫的可靠性；通過所述的原子移動性數據庫，結合γ'相的LSW粗化規律，預測鎳基高溫合金在時效過程中γ'相的粗化速率常數、粗化激活能等。本發明所提供的方法，對鎳基高溫合金的γ'相演化如粗化激活能、粗化速率常數等進行可靠的預測，而且預測準確度高。

技術領域

本發明涉及多組元合金互擴散領域，更具體地，涉及一種基于數據驅動多組元鎳基高溫合金γ’相演化的預測方法。

背景技術

鎳基高溫合金主要用于航空發動機渦輪盤、渦輪葉片等熱端部件。從上世紀40年代開始，航空發動機渦輪盤和渦輪葉片的渦輪進口溫度、推重比不斷提高，對高溫合金在高溫長期服役條件下的組織穩定性提出了更高的要求。在長期高溫服役條件下，鎳基高溫合金中的γ’相會逐漸長大，導致合金的力學性能惡化。因此，微觀組織穩定性對高溫合金的服役性能具有重要影響。一般通過實驗的方法研究微觀組織穩定性主要是通過長期的熱暴露實驗，該實驗的周期較長、成本較高。而通過理論計算的方法預測γ’相的粗化速率對加速鎳基高溫合金的成分設計與優化具有至關重要的作用。

鎳基合金的維管組織穩定性、氧化、蠕變等性能與合金化元素的互擴散系數緊密相關，而鎳基高溫合金化學成分多(＞7個)，合金元素之間的交互作用比較復雜，當前鎳基高溫合金的互擴散系數研究主要集中在二元、三元等低組分體系，對鎳基多組分體系的互擴散系數主要是基于低組分體系的互擴散信息通過CAPHAD方法外推得到，與實際合金的互擴散行為具有較大的偏差，因此，通過實驗的方法高通量獲得可靠的鎳基多組分原子移動性數據庫對預測γ’相的演化以及通過相場模擬方法研究鎳基微結構的演化具有至關重要的作用。

合金的微觀組織演化、蠕變、氧化等過程均涉及合金元素的擴散過程，通常使用互擴散系數來描述合金化元素在某個特定的相中的擴散的快慢。目前，鎳基多組分體系的互擴散系數在文獻中鮮有報道，導致合金設計過程中依賴二元、三元等低組分體系的擴散信息，未考慮到元素之間的相互作用，且外推得到的多組分擴散動力學數據庫的可靠性有待考量，對合金設計的可靠性提出了挑戰。

互擴散系數作為一種物理性質，不能通過實驗直接獲得，而是需要通過求解Fick第二定律或Einstein-Smoluchowski方程來獲得。互擴散系數的測定方法主要有理論計算與實驗測定。理論計算主要是結合第一性原理計算、集團展開法和蒙特卡羅等方法來獲得互擴散系數。實驗測定的方法主要是基于Fick第二定律從擴散偶的成分-距離曲線中提取互擴散系數，其中最為廣泛使用的是通過固相擴散偶方法來獲得成分-距離曲線，進而發展為擴散多元節方法。從成分-距離曲線中提取互擴散系數的傳統方法有Boltzmann-Matano方法、Sauer-Freise方法、Wagner方法和Kirkaldy-Matano方法等，而這些方法只適合求解二元、三元合金體系的互擴散系數，難以求解多組元合金體系互擴散系數。

鎳基高溫合金在長期高溫服役條件下，由于表面能的降低，γ’相會逐漸長大，降低合金的力學性能。大量研究表明，γ’相的粗化是體擴散控制的過程。根據經典的LSW粗化理論可知，γ’相的粗化速率與合金化元素在基體相中的擴散緊密相關。目前在計算合金基體相中有效擴散系數時，采用的是鎳基二元體系的自擴散系數或雜質擴散系數與合金中元素的摩爾分數乘積的線性疊加來獲得，未考慮粗話過程中元素之間的交互作用。