W元素对γ-Ni/γ′-Ni3Al相界断裂功影响的理论计算

运用第一性原理赝势平面波方法考察W原子掺杂γ-Ni/γ′-Ni3Al相界后对相界区域能态与断裂层间电子态密度结构的变化,比较分析合金化元素W分别占据相界区域不同亚点阵位时对其相界断裂强度的影响。结果表明:W原子存在于γ-Ni相区靠近相界附近的Ni原子位以及相界界面上时,不利于其相界强度提高;而当W原子进入γ′-Ni3Al相区,可提高γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的断裂强度,其中以取代γ′-Ni3Al相区相界附近(003)γ′原子层上的Ni原子位最有利。γ-Ni/γ′-Ni3Al相界断裂区相邻原子层间电子成键特性变化佐证了断裂功的计算结果。

N在γ-Ni/γ′-Ni_3Al相界区域的占位趋势与脆化作用

采用第一原理赝势平面波方法研究迹量元素N在γ-Ni/γ′-Ni3Al相界区域的占位趋势及其对相界断裂强度的影响。结果显示:以气态形式存在的N不易掺杂到Ni/Ni3Al相界,而以固态形式存在的N则很容易被掺进Ni/Ni3Al相界;N在Ni/Ni3Al相界中不仅能稳定存在,而且掺杂到八面体间隙比置换其中的基体原子具有更高的形成能力与结构稳定性;N掺杂将削弱Ni/Ni3Al相界的断裂强度,其中尤以间隙位掺杂最为明显。电子结构分析表明:置换型掺杂时,相界断裂强度的降低可归结为Frenkel缺陷导致的掺杂相界层间电子相互作用的减弱;而间隙位掺杂,除了基体原子间电子相互作用因掺杂原子与基体原子间的强相互作用而减弱外,晶格畸变导致的局域弹性应变能增加也是一个重要的原因。

Al_2O_3-TiC/Cr18-Ni8扩散焊界面附近元素分布及析出相

采用Ti/Cu/Ti复合中间层实现Al2O3-TiC陶瓷基复合材料和Cr18-Ni8不锈钢的扩散焊接。采用光学显微镜(OM)、电子探针(EPMA)、X-射线衍射(XRD)等分析手段,对Al2O3-TiC/Cr18-Ni8扩散焊接头的显微组织、元素分布及析出相进行分析。结果表明:Al2O3-TiC/Cr18-Ni8界面结合紧密,界面过渡区与两侧基体间界面平直。Ti与Al2O3间的反应主要发生在陶瓷表面附近;在Cu层内,Ti和Cu浓度轮廓互补;Ti向不锈钢侧扩散较大的距离,Fe、Cr表现为相似的扩散趋势;Ni呈现"上坡"扩散的特点。Al2O3-TiC/Cr18-Ni8接头的界面结构为Al2O3+TiC,NiAl2O4,TiC,CuTi+Cu(Ni),FeTi+Cr2Ti+TiC和Fe。

Ru合金化Ni／Ni3Al相界断裂功的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了Ru合金化前后γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的电子与能态结构,并比较强化元素Ru分别占据不同亚点阵位时对相界断裂强度的影响。结果表明:Ru置换Ni/Ni3Al相界区域中的Ni或Al原子,都可明显提高Ni/Ni3Al相界的断裂强度;尤其以Ru置换γ-Ni/γ′-Ni3Al相界界面层的Al原子时,对相界的强化效果最好。电子态密度与电子密度分布图的分析结果显示:Ru合金化对γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的强化可归因于Ru与其最近邻Ni原子间强烈的电子相互作用引起的相界区域层间原子价键强度的增强。

L1_2-Ni_3(Al,Cr)沉淀先期效应的微观相场模拟

基于微观相场模型,研究Ni80Al7Cr13合金在873K时效过程中L12结构Ni3(Al,Cr)的沉淀先期效应。分析沉淀早期微结构、成分及有序度随时间的变化。研究发现,原子有序化早于原子簇聚,首先形成有序度很低的L10结构非化学计量比有序畴,随着时间的延长,有序畴的有序度逐渐提高,当有序度增大到一定时,L10结构非化学计量比有序畴逐渐向非化学计量比L12结构转变,最后非化学计量比L12结构有序畴的成分和有序度随时间的增长逐渐达到化学计量比L12结构的成分和有序度,在化学计量比L12结构的有序相中,Al原子倾向于占据αⅠ反位,而Cr原子则倾向于在αⅡ反位择优占位。

Ir合金化Ni/Ni_3Al相界断裂功的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了Ir合金化前后γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的电子与能态结构,并比较了Ir元素分别占据不同亚点阵位时对相界断裂强度的影响。结果表明Ir优先取代Ni原子,其次是Al原子,较难占据间隙位。Ir取代Ni或Al位时,可以提高γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的断裂强度,但提高有限。电子态密度与电子密度分布图显示,Ir合金化对γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的强化的原因是Ir与其最近邻Ni原子间的电子相互作用引起的相界区域层间原子价键强度的增强。

Ni-Al-V合金L1_2相间有序畴界面的微观相场模拟

利用微观相场动力学模型模拟Ni-Al-V合金沉淀过程中L1_2(Ni_3Al)相间有序畴界面,对界面结构及其界面处原子的行为进行了研究.结果表明:L1_2相间存在3种稳定的平移界面以及2种过渡界面;界面的迁移性与界面结构有关,一个L1_2相的(100)和另一个L1_2相的(200)对应且有两个Ni原子面的界面以及(100)和(100)对应且有两个Ni原子面的稳定界面可以迁移,迁移前后界面结构保持不变,迁移的过程中形成过渡界面;而(100)和(200)对应且有一个Ni原子面的稳定界面则不可迁移.合金元素在不同的界面处有不同的偏聚和贫化倾向,Al原子在所有界面处贫化,V原子在所有界面处偏聚,Ni原子在可迁移界面处贫化,而在不可迁移界面处偏聚,且各元素在不同的界面处偏聚以及贫化程度不同.

镍基合金中γ’相界面的强化设计

采用第一原理分子轨道离散变分Xα法,研究在镍基合金中加Ir合金化的作用,以及在镍基合金中存在B,C,N,H,O,P或S时对γ相和γ’相界面结合强度的影响.证明Ir合金化后,使γ相和γ’相的晶格错配度向负值变化,提高键重叠集居数和总键序.在镍基合金中存在的S,P,H,O,N,B或 C,对γ-Ni/γ＇-Ni2Al相界面结合力有明显影响,其中C,B和N显著增强两相的界面,相反S和P则减弱相界的结合.

DO_(22)相间反相畴界成分演化的微观相场模拟

基于微观相场模型研究Ni75AlxV25-x合金沉淀过程中原子尺度界面结构对DO22-Ni3V相间反相畴界成分及其演化的影响。研究表明,在DO22相间反相畴界处,镍和铝偏聚,钒贫化。由于界面溶质拖曳效应和扩散,使得合金元素在反相畴界处的偏聚和贫化程度随时间改变,但倾向不变。不同反相畴界的界面原子排列方式存在差别,这使得合金元素在界面处占位几率所受到的影响不同,从而导致合金元素在不同界面处的偏聚和贫化程度不同。相对于DO22相沿[001]方向形成的反相畴界(002)//(002),反相畴界(002)//(002).[100]处,镍的偏聚程度较大,铝的偏聚程度较小,钒的贫化程度较小。DO22相沿[100]方向形成的三种反相畴界中,在反相畴界{100}.[100]处,镍和铝的偏聚程度最大,钒的贫化程度最大,而在反相畴界{201}.[001]处,镍和铝的偏聚程度最小,钒的贫化程度最小。弹性应变能不改变合金元素在各个反相畴界处偏聚和贫化程度的相对大小。

沉淀强化型奥氏体钢中γ'相的析出过程

将沉淀强化型奥氏体钢在980℃固溶1 h后淬火,然后在500~850℃时效4 h,750℃析出强化效果最好。结合透射电子显微镜(TEM)和场离子显微镜(FIM),用原子探针层析技术(APT)研究强化相析出过程。结果表明,析出相为球形,是与基体共格的面心立方结构的γ’-Ni3(Al,Ti)相。随着时效温度提高,析出相尺寸增大,密度降低,Al元素和Ti元素在析出相与基体中的分配比逐渐提高,Ti元素的分配比明显高于Al元素,表现出更强的析出倾向。

Pt＋γ′-Ni_3Al＋γ-Ni/CMSX-4涂层结构的透射电镜研究

通过在CMSX-4镍基单晶高温合金表面镀Pt然后采用包埋渗铝的方法成功制备Pt改性的Pt+γ′-Ni3Al+γ-Ni/CMSX-4涂层,采用扫描电镜和透射电镜研究Pt+γ′-Ni3Al+γ-Ni/CMSX-4涂层的微观结构。TEM分析表明Pt主要分布于涂层γ′-Ni3Al相中,且涂层γ′-Ni3Al相里存在{111}孪晶;此外涂层内还发现六方结构富铼的拓扑密堆相(μ相),点阵常数为a=0.473nm和c=2.565nm,首次发现μ相内除了(001)孪晶外还存在(102)孪晶;探讨μ相和孪晶的形成机制。

W对Co-Al-W合金相界强度影响的理论研究

基于第一性原理赝势平面波方法,研究了W掺杂γ-Co/γ′-Co_(3)Al相界前后其对电子分布与能态结构的变化。相界断裂功计算结果表明,W原子取代界面内γ′-Co_(3)Al相区中的Al原子可提高γ-Co/γ′-Co_(3)Al相界的断裂强度,而取代其他位置的Al原子或Co原子时,对其相界区域断裂强度的影响则不明显。进一步通过分析电子态密度与电子密度分布图发现,W的掺杂使其与最近邻Co原子间所产生的强烈电子相互作用,将引起相界区域层间原子成键相互作用增强,这是γ-Co/γ′-Co_(3)Al相界断裂强度得到提高的直接原因。

L1_2相间有序畴界成分的微观相场研究

利用微观相场模型研究了有序畴界结构、合金成分和弹性应变能对Ni75AlxV25-x合金中L12-Ni3Al相间有序畴界成分的影响规律。结果表明:L12相间形成的3种有序畴界中,在(100)//(200)·[001]处,Ni的贫化程度最小,Al的贫化程度最大,V的偏聚程度最大;在(200)//(200)处,Ni的贫化程度最大,Al的贫化程度最小,V的偏聚程度最小。随着合金中Al浓度的增加,3种有序畴界处Ni的浓度降低,Al的浓度升高,V的浓度降低。弹性应变能使得L12相间3种有序畴界处Ni和Al的浓度升高,V浓度降低。但弹性应变能对(200)//(200)·[001]和(100)//(200)·[001]成分的影响较大,对(200)//(200)成分的影响则相对较小。

Nb掺杂对Ni基合金中γ'→γ"相转变影响的第一原理研究

通过第一原理计算Nb掺杂对γ'-Ni_3Al和γ"-Ni_3Nb两相形成热、结合能及态密度的影响,研究了Nb掺杂量γ'-Ni_3Al和γ"-Ni_3Nb两相的合金化行为。结果表明,在γ'-Ni_3Al和γ"-Ni_3Nb两相共存的熔体中,在Nb掺杂量小于15.625at%范围内,与γ"-Ni_3Nb相比,γ'-Ni_3Al相有较好的稳定性;而Nb掺杂量大于18.75 at%时,γ"-Ni_3Nb相有更大的稳定性。其中在Nb掺杂15.452at%~16.34at%范围内,γ'-Ni_3Al和γ"-Ni_3Nb两相有相近的晶格常数,是使其发生γ'-Ni_3Al→γ"-Ni_3Nb共格相转变的必要条件。Nb掺杂量大于18.75at%后,γ'-Ni_3Al和γ"-Ni_3Nb两相费米能级处态密度的差值明显增大,γ"-Ni_3Nb相稳定性增强。此外,在γ"-Ni_3Nb相长大的同时,可发生γ'-Ni_3Al相的分解而消失。

ATI 718Plus合金国内研究进展

ATI 718Plus(简称718Plus)合金作为一种新型镍基变形高温合金涡轮盘材料,由于在700℃以下具备优异的综合力学性能、良好的热加工和焊接等工艺性能以及适宜的成本,而受到国内外的广泛关注。本文综述了近几年国内718Plus合金的研究进展,主要包括:(1)718Plus合金相组成及合金特点;(2)P对718Plus合金组织及性能的影响规律及机理;(3)Al对718Plus合金组织及性能的影响规律及机理;(4)析出相对718Plus合金性能的影响规律及机理。