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《Acta Materialia》镍基高温合金熔体结构研究

发布日期:2020-11-02   作者: 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室   点击次数: 1138

     上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室张佼研究员团队近期在金属材料领域权威杂志Acta Materialia 发表题为《Element interactions and localstructure in molten NiRe and NiAlRe alloys: Implications for the aggregationand partition of Re》的研究论文,文章第一作者为团队博士生陈诗豪,通讯作者为戴永兵副研究员和孙宝德教授。


     镍基单晶高温合金常被作为涡轮叶片材料使用,其高温下的力学性能对航空发动机的服役性能至关重要。在第二代及以后的镍基单晶高温合金中,常常通过加入Re元素来提升合金的服役温度。相较其他元素,Re元素能够非常有效地提高镍基单晶高温合金的蠕变性能,这种神奇的效应常被称为“Re效应”(rhenium effect)。与此同时,Re的加入也会造成一些负面的影响:提升合金密度与促进宏观雀斑缺陷的形成。为了有效地开发含Re镍基单晶高温合金,澄清“Re效应”背后的微观机制,找出抑制雀斑的方法一直是该领域的研究热点。Re效应背后的强化机制很可能与其分布有关。但Re在多元镍基合金中的分布形式问题一直以来都存在争议,甚至连最简单的NiRe二元体系也没有明确定论。高温合金的雀斑形成趋势与Re的偏析行为有关。迄今为止,已有很多研究试图将Re的偏析行为与合金元素含量联系在一起,然而这些研究发现都是经验性结果。无论是Re的分布还是偏析,都与合金中的元素作用密切相关。镍基高温合金熔体研究能够方便地提供元素相互作用信息,鉴于固液元素作用的相似性,可为揭示Re在镍基单晶高温合金中的分布特征及其偏析行为提供十分有价值的信息。



图1 (a)偏双体相关函数gReRe(r)随成分的变化;(b)Warren-Cowley化学短程序参数随成分的变化;(c)以Re为中心和以Ni为中心的平均Voronoi体积随Al含量的变化;(d)加Al前后以Re为中心团簇快照(Ni80Re20和Ni60Al20Re20)

    在本工作中,研究团队按照Re、Al含量相继增加的顺序模拟了NiRe和NiAlRe一系列成分的熔体结构。研究发现随着Re含量的增加,Re的自作用逐渐从排斥转变为吸引;随着Al的加入及其含量的增加,吸引作用变得越来越强。鉴于固液两相中元素相互作用的相似性,NiRe合金(固相和熔体)中Re的分布应存在从有序分布到聚集的转变。Re的聚集行为是一种正向自反馈过程:即聚集强化了吸引作用,而增强的吸引作用进一步诱导聚集。考虑固液两相元素相互作用的相似性,这种正向自反馈过程可能是镍基单晶高温合金中Re聚集的重要原因。本工作中使用Warren-Cowley化学序参数定性代替热力学中的相互作用参数,发现在NiAlRe熔体中,Al、Re之间存在较强的排斥作用。由于Al的平衡分配系数小于1,根据热力学可知在低Re含量条件下,NiRe中Al的加入起到增大Re平衡分配系数的作用。预测结果得到了定向凝固实验的验证。此外,溶质偏析行为的改变趋势还可通过溶质和溶剂原子为中心配位壳层的密实度(Voronoi体积)来衡量。加Al后以Re为中心的团簇变得松散,且比以Ni为中心的团簇更加松散。

    本工作深化了对镍基高温合金中影响“Re效应”的Re元素分布行为的理解,提出了通过模拟定性判定元素平衡分配系数改变的方法,有助于开发新一代镍基高温合金。

    论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.018