Phase Lab镍基数据库,辅助开发Ni-AI-Cr-X系高温合金

Phase Lab镍基数据库

辅助开发Ni-AI-Cr-X系高温合金

Ni-Al-Cr-X四元系(X=Mo、Ti和W)，基于γ基体相(FCC_A1结构)与γ'有序相(FCC_L12结构)的协同效应，展现出开发高性能高温镍基合金的巨大潜力。其中Al元素是γ'相的形成来源，Mo、Ti和W等其他合金元素一方面可以有效增强基体相固溶强化效果，另一方面可以优化γ'相的析出行为。深入研究合金元素对Ni-Al-Cr-X四元系乃至更高组元在热力学平衡或非平衡条件下的物相组成规律，对调控镍基合金微观组织和性能至关重要。

基于计算热力学理论(#CALPHAD方法#)构建的镍基合金热力学数据库，可预测复杂体系在热力学平衡或非热力学平衡下的物相组成。当前Phase Lab已经上线的镍基热力学数据库，涵盖11种基础合金元素，可满足典型镍基合金体系的热力学计算需求。 （一）Phase Lab计算Ni–Al–Cr–Ti体系 在Ni-Al-Cr-Ti体系中，约有10%Ti元素进入γ固溶体，起到固溶强化的作用；另外90%进入γ'相，代替γ'-Ni3Al相中的Al原子，形成Ni3(Al, Ti)，提高γ'相的析出温度与相分数，增加位错运动阻力，进而提升合金的瞬时拉伸强度和持久强度。此外，γ'相中存在的Ti原子还可以提高反相畴界能，从而强化切割机制引起的强化效应。采用Phase Lab软件计算不同温度和Ni含量条件下Al、Cr和Ti合金元素的添加含量对γ/γ'相平衡的影响，如图1所示，并与相关实验数据的对比，可辅助调控Ni-Al-Cr-Ti系中合金元素以及微观组织含量。

图1 不同温度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Ti四元系等温截面计算相图

(a) x(Ni)=0.75,T=750℃; (b) x(Ni)=0.75,T=1000℃;

(c) x(Ni)=0.715,T=1000℃; (d) x(Ni)=0.715,T=1100℃；

(e) x(Ni)=0.765,T=1000℃; (f) x(Ni)=0.765,T=1100℃

（二）Phase Lab计算Ni–Al–Cr–Mo体系

Ni–Al–Cr–Mo体系中，Mo元素主要倾向于在γ基体中固溶，在高温时阻碍Al、Ti和Cr的扩散，增强扩散激活能，加强原子结合力，减缓合金的软化速率，提高合金的屈服强度。基于镍基热力学数据库，利用Phase Lab计算Ni-Al-Cr-Mo体系的物相组成(见表1)，有助于理解Mo元素添加量对γ/γ'相平衡的影响。

表1 Ni-Al-Cr-Mo系900℃下γ和γ'相分数实验值/计算值对比

图2 γ和γ'相分数实验值/计算值对比

基于表1所示的实验信息，图2(a)和(b)分别展示了γ和γ'相的摩尔相分数计算值与实验值的对比结果，一定程度可用于数据库可靠性的验证。另外，如图3所示，基于Phase Lab软件计算Ni-Al-Cr-Mo四元系在不同温度和Ni含量下的等温截面相图，对含Mo镍基合金体系的成分与组织调控具有重要指导意义。

图3 不同温度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Mo四元系等温截面计算相图

(a) x(Ni)=0.76,T=1523K; (b) x(Ni)=0.755,T=1273K; (c) x(Ni)=0.76,T=1073K

（三）Phase Lab计算Ni–Al–Cr–W体系

W元素通过固溶强化机制增强合金的强度，同时显著提高镍基合金的硬度和耐磨性，并改善镍基合金的耐腐蚀性能。然而，镍基合金中大量W元素的添加，容易富集在枝晶干区域，提高γ基体中固溶元素的过饱和度，导致TCP相的析出，降低固溶强化效果，最终导致合金强度的下降。基于Phase Lab镍基热力学数据库，易于深入理解多组分镍基体系的平衡相图，在控制γ基体和γ'有序相合理共存的同时，避免可能析出的各种有害金属间化合物相。图4开展了Ni-Al-Cr-W四元系热力学平衡计算，构建了体系合金成分-物相组成-温度的定量化关系，可以为合金成分设计与组织/性能调控提供可靠的数据支持。

图4 不同温度和Ni含量下Ni-Al-Cr-W四元系等温截面计算相图

(a) x(Ni)=0.71,T=1173K; (b) x(Ni)=0.71,T=1273K;

(c) x(Ni)=0.76,T=1173K; (d) x(Ni)=0.76,T=1273K;