[發明專利]基于數據驅動多組元高溫合金持久蠕變性能的評估方法

在審

• 申請號: 202011111443.X
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112289390A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 劉鋒;王澤鑫;譚黎明;王子;劉詠;喻石亞;郝新;方棋洪
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G16C20/90
• 分類號: G16C20/90;G16C60/00;G06F17/11;G01N3/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明公開了一種基于數據驅動多組元高溫合金持久蠕變性能的評估方法，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，結合修改的Kim蠕變模型，預測鎳基高溫合金在中溫(650℃～850℃)蠕變試驗下的最低蠕變速率、蠕變壽命等。本發明所提供的方法，對鎳基高溫合金的持久蠕變性能如最低蠕變速率、蠕變壽命等進行可靠的預測。

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高溫合金持久蠕變性能的評估方法。

背景技術

隨著國家大飛機工程和“兩機”專項的持續推進，我國在眾多領域已取得突破性進展，但高溫合金是制約我國航空發動機發展的關鍵材料，其制造技術一直以來被歐美發達國家高度壟斷、嚴密封鎖，是我國航空材料工作者幾代人努力亟需解決的瓶頸之一。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，航空發動機推重比不斷上升，對鎳基高溫合金渦輪盤的服役溫度提出了更高的要求，經過幾十年的持續發展，以一個代次提高50℃服役溫度的速度，渦輪盤的服役溫度從650℃提高到了850℃，“一代材料、一代裝備”在此得到淋漓盡致的體現。

渦輪盤在苛刻的高溫與應力環境下服役，對合金的持久蠕變性能提出了更高的要求。材料在應力與溫度的長期作用下，材料會發生蠕變導致材料斷裂失效。蠕變過程可分為三個階段：第一階段為初生蠕變，蠕變抗力會隨著位錯密度的增加而上升；第二階段是穩態蠕變，材料應變硬化與回復軟化處于競爭平衡狀態，第二階段的平均蠕變速率，通常稱為最低蠕變速率；第三階段是加速階段，裂紋會在孔洞、晶界、碳化物、氧化物、TCP相等缺陷處萌生、快速擴展，最終導致合金斷裂失效。其中，最低蠕變速率是衡量合金蠕變性能好壞的重要性能指標，其在一定程度上決定了蠕變壽命的長短。

研究表明，鎳基高溫合金的蠕變性能不僅與γ′相的大小、形貌、以及尺寸分布有關，還與合金元素在基體相中的擴散快慢緊密相關。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的計算主要是基于低組分體系的互擴散信息通過CALPHAD方法外推得到，與實際合金的互擴散行為具有較大的偏差，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。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研究鎳基高溫合金的蠕變性能以及成分設計具有至關重要的作用，可加速設計新一代高蠕變性能高溫合金的開發。

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。最近提出的新型數值回歸方法可用于獲得多組分合金體系的互擴散系數矩陣，但其在多組分體系中提取互擴散系數矩陣的可靠性有待于進一步的驗證。

在預測鎳基高溫合金的蠕變性能時如商用的Jmatpro軟件采用鎳基二元體系的自擴散系數或雜質擴散系數來計算合金的有效擴散系數。然而，鎳基高溫合金組分眾多，元素之間的交互作用較為復雜，采用二元體系的自擴散系數或雜質擴散系數來計算鎳基合金的有效擴散系數時未能考慮到元素之間復雜的交互作用。

發明內容