使用Phase Lab镍基动力学数据库计算多组分合金的成分分布曲线

镍基动力学数据库计算多组分合金的成分分布曲线

众所周知，扩散是固体材料中的一个重要现象，是固相中唯一的物质迁移方式，广泛存在于材料的制备和使用过程中，如热处理中的相变、动态回复再结晶、焊接过程以及高温蠕变等。采用CALPHAD方法、第一性原理计算及结合关键实验，精确高效地构筑镍基合金相图热力学与扩散动力学数据库，研究合金元素的扩散行为对高温下组织演变过程及力学性能的影响，已成为当前镍基高温合金成分优化、组织与性能调控的关键。Phase Lab最新上线了10元系镍基合金扩散动力学数据库，已成功实现合金成分-扩散系数的定量化描述。

图1.镍基高温合金动力学数据库的鸿之微云使用界面

扩散动力学的核心理论建立在菲克第一定律和第二定律之上，这两个定律分别描述了稳态扩散和非稳态扩散的现象。它们的区别在于，在空间维度上，元素浓度是否随时间发生变化。基于镍基热力学数据库和动力学数据库，Phase Lab软件最新开发单相扩散求解器，能实现非稳态扩散元素成分在一维空间上分布曲线的定量化求解，为深入理解扩散型相变机制以及微观组织的调控提供有效指导。

镍(Ni)、铝(Al)、钴(Co)和铬(Cr)是镍基高温合金基体相和强化相的主要合金元素。深入理解并定量描述Ni-Al-Co-Cr合金元素在面心立方(FCC)结构中的扩散行为，是探究合金微观组织演变及第二相析出机制的基础。借助Phase Lab软件，并结合热力学与扩散动力学数据库，能够精确模拟不同扩散偶的成分分布曲线(如图2所示)，并与实验数据对比。

图2. Ni-Al-Co-Cr四元扩散偶成分分布曲线模拟，(a)和(b)扩散偶退火温度为1423K；(c)和(d)扩散偶退火温度为1473K；(e)和(f)扩散偶退火温度为1523K

钼(Ｍo)和钨(Ｗ)元素具有较大的扩散激活能以及较低的扩散迁移率，钴(Co)的扩散激活能及扩散迁移率适中，铝(Al)具有较低的扩散激活能和较高的扩散迁移率，四种元素的协同作用对合金的组织稳定性有重要影响。图3计算了Ni-Al-Co-W四元以及Ni-Al-Co-Mo-W五元系FCC单相扩散偶的成分曲线。

图3. Ni-Al-Co-Mo-W体系成分分布曲线模拟，(a)和(b)扩散偶退火温度为1373K；(c)和(d)扩散偶退火温度为1473K； 镍基合金在高温下的蠕变抗力与扩散系数密切相关，特别对于多组分高温合金的蠕变性能评估，可靠的热力学与扩散动力学数据库是必不可少的。图4计算了Ni-Al-Co-Cr-Mo-Ta-Ti-W多元体系FCC单相扩散偶在1553K条件下扩散的成分分布曲线，其计算结果与实验数据吻合较好，表明当前构建的镍基合金扩散动力学数据库是可靠的。

图4. Ni-Al-Co-Cr-Mo-Ta-Ti-W体系成分分布曲线模拟

当前，Phase Lab软件单相扩散求解器与成分曲线模拟功能处于内测中，不日将上线鸿之微云~