Phase Lab镍基数据库,驱动高性能Ni-AI-Co-Cr系合金设计

Phase Lab镍基数据库

驱动高性能Ni-AI-Co-Cr系合金设计

镍基合金以优异的高温强度、耐蚀和耐磨等性能，广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作部件以及化工、医疗和海洋工程等腐蚀性环境中。其中合金元素的协同作用，是镍基合金优异性能的重要来源。

基于#CALPHAD#方法，Phase Lab已正式上线12元镍基合金热力学数据库(Ni-Al-B-C-Co-Cr-Mo-Nb-Ta-Ti-V-W)，可用于构建热力学平衡条件下合金成分与物相组成的定量化关系。当前用户可在鸿之微云平台点击试用。 （网址：https://cloud.hzwtech.com/web/personal-space/online-tool/online-phase-lab）

图1 Phase Lab镍基合金热力学数据库首页

(一) Ni-Al-Co-Cr系合金优异性能的内因——合金元素的协同效应

Ni-Al-Co-Cr四元系是镍基合金的核心体系，其中Al是形成γ'相(FCC有序相)的主要元素之一，随着Al含量的增加，γ'相的体积分数显著提升，其溶解温度也随之升高，同时形貌由球形转变为立方体状，从而提升合金的高温强度。此外，Al元素还能促进形成致密的Al2O3氧化膜，提升合金的抗氧化性能。Co元素主要起固溶强化作用，提升合金的冲击韧性和塑性。相比于Co，Cr元素的固溶强化效果较弱，但可在晶界上析出M23C6型碳化物，引发晶界强化效应。Cr元素同样可形成Cr2O3氧化层，提高合金的抗氧化性和耐蚀性。

(二)Phase Lab指导镍基合金成分设计

基于Phase Lab软件并结合镍基热力学数据库，开展Ni-Al-Co-Cr四元系热力学平衡计算，构建Ni-Al-Co-Cr系合金成分-物相组成-温度的定量化关系。其中二元系、三元系热力学参数的准确性是Ni-Al-Co-Cr四元以至更高组元体系热力学计算的基础。图2展示了Ni-Al-Co以及Ni-Al-Cr三元系垂直截面热力学平衡计算与相关实验数据的对比，可用于检验Ni-Al-Co以及Ni-Al-Cr三元体系热力学参数的可靠性。

图2 Ni-Al-Co体系垂直截面相图(a)w(Ni)/w(Co)=9;(b)x(Al)=0.85

Ni-Al-Cr体系垂直截面相图(c)x(Ni) =0.75;(d)x(Cr)=0.05

基于Phase Lab软件并结合镍基热力学数据库，开展Ni-Al-Co-Cr四元系热力学平衡计算，可揭示不同合金元素含量对合金物相组成的影响，辅助Ni-Al-Co-Cr系合金的成分优化以及组织调控等。图3展示了不同Co含量(原子分数)下Ni-Al-Co-Cr四元系等温截面计算与实验数据的对比结果，直接揭示不同Al与Cr元素含量对热力学平衡条件下的物相组成以及γ(FCC_A1)、γ'(FCC_L12)、α(BCC_A2)、β(BCC_B2)以及σ(SIGMA_D8B)等相区的影响规律，为Ni-Al-Co-Cr四元系物相调控提供精确的数据基础。

图3 不同Co含量下Ni-Al-Co-Cr四元系等温截面计算相图

(a) x(Co)=0.19,T=900℃; (b) x(Co)=0.19,T=1100℃; (c) x(Co)=0.19,T=1200℃;(d)x(Co)=0.26,T=900℃; (e) x(Co)=0.26,T=1100℃; (f) x(Co)=0.26,T=1200℃; (g)x(Co)=0.30,T=900℃;(h) x(Co)=0.30,T=1100℃; (i) x(Co)=0.30,T=1200℃