Ni-Co基高温合金γ’相的力学与热力学性质研究
发布时间：2021-07-14 18:30
高温合金材料作为重要耐高温结构材料,主要应用于航天涡轮叶片。由于母相中析出晶格适配绝佳的γ′沉淀相,以及组分对化学反应的作用,极端环境中合金具有优异的高温强度和良好的抗氧化-抗腐蚀能力。高温合金中Ni基合金的研究与应用,加深了对高温合金的认识,促进了合金性能的提升。但随着Ni基合金的发展,固相线温度低的缺陷体现出来。固相线温度较高的新型Co基与Ni-Co基合金发现存在沉淀强化。该类合金的力学与热力学问题是当前高温合金的领域的热点。本文主要基于密度泛函理论计算了（NiCo）3AlTm高温合金的弹性常数,体模量,剪切模量,多晶弹性常数,形成焓,吉布斯形成能和本征层错能等。讨论主要包括两个方向,组分与磁矩对力学与热力学的作用。合金中Ni位的Co会增大晶格常数和体模量,Al位的Cr,Mo,Ti会因磁性不同产生差异。Ni-Co基合金的形成焓为负值,说明为放热反应。混合焓数值为正,四元合金可能会存在相分离存在。考虑构型熵后吉布斯能为负值,因此有限温度下四元合金就可能稳定存在。本文使用平均场方法计算的Ni3Al合金的居里温度为38.5 K,与实验符合的很好...
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni基合金的元素分类与周期表相对位置[3].Fig1.1CategoriesofelementsimportanttotheconstitutionoftheNi-basedalloys,andtheirrelativepositionsinperiodictable[3].
第一章绪论3金的机械强度。从室温到800℃依靠L12结构的析出与原子固溶强化，镍基合金的强度可以持续增加[11]。因为Ni基合金对众多元素都具有可溶性，元素构成非常多样。合金的相稳定会受周期表位置的影响，如图1.1，Al，Ti，Nb，Ta倾向进入γ′相，也会提高它的稳定性。元素W，Co，Cr，Fe，Mo，Ru等和Ni的原子半径相差不大，会进入γ相。还有一类元素是B和C，位于γ相晶界处。从含量角度看，合金中含量较多的元素有Cr，Co，Al，Ti，含量比较低元素的有B和C。另外一些元素只是出现在特定类型的Ni基合金中，5d的W，Ta和4d的Mo，Nb，Zr。图1.2Ni基合金的应力与(a)最小蠕变率,(b)断裂寿命的关系[12].Fig1.2(a)Minimumcreeprateand(b)lifeofruptureofNi-basedalloyasfunctionofstress[12].元素会影响析出相的大小和体积分数，而元素的掺杂也会不同程度的提高合金在抗氧化性和腐蚀的能力。元素Al，Ti和Ta能提高合金γ′相占比，进一步会对合金抗蠕变性能产生影响。Gibbons等人研究不同组分含量下多晶Ni基合金的蠕变行为和γ′相体积分数[12]。图1.2为实验结果，施加的应力水平不高时，沉淀相体积分数降低会引起合金蠕变性能变差，断裂寿命减少。相同最小蠕变或断裂寿命下，施加的应力大小随γ′相百分比减小而变低；应力条件一致时，从横坐
第一章绪论5晶格适配度大于1%，而Ni基合金的适配度为负0.1%到正0.5%，恰当的适配度能够提高合金的强度。本身Co元素就有很高熔点，还能依靠元素提高其他性能，例如添加Cr，Mo，Ti元素能提高合金抗蠕变性能[18,19]，Si，Ta，Cr元素提高合金抗氧化与抗腐蚀方面的能力[20–22]。人们相信Co基合金如果能制备出稳定的L12相将具有很大的潜力成为新一代高温合金。图1.4Co-Al-W-X(X:Ti,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Fe,Ni,Si,Zr,Hf,RuandIr)合金的γ′相溶解温度和γ相固相线温度,虚线为Co–9Al–10W合金的数值[23].Fig1.4γ′solvustemperatureandγsolidustemperatureofCo-8.8Al-9.8W-2X(X:Ti,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Fe,Ni,Si,Zr,Hf,RuandIr)alloysandthoseofCo–9Al–10Walloybeindicatedbydashedlines[23].2006年Sato[5]等人发现了稳定的L12结构三元相Co3(Al,W)，Co基合金也有了第二相强化，如1.3图所示。研究组发现在Co3(Al,W)中添加Ta，Ti或者Nb到γ′相可以提高相的固熔温度到~1373K，高于传统商用的Waspaloy合金。同时Co3(Al,W)合金也比大部分Ni基合金的熔点高，之后有研究跟进系统的报道了不同元素对该类新合金的稳定性，微观组织和性能的影响[24–26]。虽然W元素的加入提高了Co基高温合金的相稳定性和高温强度[27]。合金中添加W也会导致了许多缺陷，比如，提高了材料的密度不利于航空应用，造成有害相
【参考文献】：
期刊论文
[1]第一性原理研究压力和温度对Ni3Al合金力学性能、热力学性能和电子结构的影响（英文）[J]. 牛晓峰,黄志伟,阎佩雯,王宝健,宋振亮,王晨晨,赵静雨,薄延强. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
本文编号：3284661
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni基合金的元素分类与周期表相对位置[3].Fig1.1CategoriesofelementsimportanttotheconstitutionoftheNi-basedalloys,andtheirrelativepositionsinperiodictable[3].
第一章绪论3金的机械强度。从室温到800℃依靠L12结构的析出与原子固溶强化，镍基合金的强度可以持续增加[11]。因为Ni基合金对众多元素都具有可溶性，元素构成非常多样。合金的相稳定会受周期表位置的影响，如图1.1，Al，Ti，Nb，Ta倾向进入γ′相，也会提高它的稳定性。元素W，Co，Cr，Fe，Mo，Ru等和Ni的原子半径相差不大，会进入γ相。还有一类元素是B和C，位于γ相晶界处。从含量角度看，合金中含量较多的元素有Cr，Co，Al，Ti，含量比较低元素的有B和C。另外一些元素只是出现在特定类型的Ni基合金中，5d的W，Ta和4d的Mo，Nb，Zr。图1.2Ni基合金的应力与(a)最小蠕变率,(b)断裂寿命的关系[12].Fig1.2(a)Minimumcreeprateand(b)lifeofruptureofNi-basedalloyasfunctionofstress[12].元素会影响析出相的大小和体积分数，而元素的掺杂也会不同程度的提高合金在抗氧化性和腐蚀的能力。元素Al，Ti和Ta能提高合金γ′相占比，进一步会对合金抗蠕变性能产生影响。Gibbons等人研究不同组分含量下多晶Ni基合金的蠕变行为和γ′相体积分数[12]。图1.2为实验结果，施加的应力水平不高时，沉淀相体积分数降低会引起合金蠕变性能变差，断裂寿命减少。相同最小蠕变或断裂寿命下，施加的应力大小随γ′相百分比减小而变低；应力条件一致时，从横坐
第一章绪论5晶格适配度大于1%，而Ni基合金的适配度为负0.1%到正0.5%，恰当的适配度能够提高合金的强度。本身Co元素就有很高熔点，还能依靠元素提高其他性能，例如添加Cr，Mo，Ti元素能提高合金抗蠕变性能[18,19]，Si，Ta，Cr元素提高合金抗氧化与抗腐蚀方面的能力[20–22]。人们相信Co基合金如果能制备出稳定的L12相将具有很大的潜力成为新一代高温合金。图1.4Co-Al-W-X(X:Ti,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Fe,Ni,Si,Zr,Hf,RuandIr)合金的γ′相溶解温度和γ相固相线温度,虚线为Co–9Al–10W合金的数值[23].Fig1.4γ′solvustemperatureandγsolidustemperatureofCo-8.8Al-9.8W-2X(X:Ti,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Fe,Ni,Si,Zr,Hf,RuandIr)alloysandthoseofCo–9Al–10Walloybeindicatedbydashedlines[23].2006年Sato[5]等人发现了稳定的L12结构三元相Co3(Al,W)，Co基合金也有了第二相强化，如1.3图所示。研究组发现在Co3(Al,W)中添加Ta，Ti或者Nb到γ′相可以提高相的固熔温度到~1373K，高于传统商用的Waspaloy合金。同时Co3(Al,W)合金也比大部分Ni基合金的熔点高，之后有研究跟进系统的报道了不同元素对该类新合金的稳定性，微观组织和性能的影响[24–26]。虽然W元素的加入提高了Co基高温合金的相稳定性和高温强度[27]。合金中添加W也会导致了许多缺陷，比如，提高了材料的密度不利于航空应用，造成有害相
【参考文献】：
期刊论文
[1]第一性原理研究压力和温度对Ni3Al合金力学性能、热力学性能和电子结构的影响（英文）[J]. 牛晓峰,黄志伟,阎佩雯,王宝健,宋振亮,王晨晨,赵静雨,薄延强. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
本文编号：3284661
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