[发明专利]基于数据驱动多组元镍基高温合金γ`相演化的预测方法

说明书

本发明公开了一种基于数据驱动多组元镍基高温合金γ'相演化的预测方法，包括以下步骤：通过合金扩散多元节技术高通量制备若干组多组元高温合金扩散偶并进行扩散退火处理；通过检测仪器检测获得每组扩散偶的成分‑距离曲线；根据成分‑距离曲线，建立多组元镍基高温合金基体相原子移动性数据库并验证所获得的原子移动性数据库的可靠性；通过所述的原子移动性数据库，结合γ'相的LSW粗化规律，预测镍基高温合金在时效过程中γ'相的粗化速率常数、粗化激活能等。本发明所提供的方法，对镍基高温合金的γ'相演化如粗化激活能、粗化速率常数等进行可靠的预测，而且预测准确度高。

技术领域

本发明涉及多组元合金互扩散领域，更具体地，涉及一种基于数据驱动多组元镍基高温合金γ’相演化的预测方法。

背景技术

镍基高温合金主要用于航空发动机涡轮盘、涡轮叶片等热端部件。从上世纪40年代开始，航空发动机涡轮盘和涡轮叶片的涡轮进口温度、推重比不断提高，对高温合金在高温长期服役条件下的组织稳定性提出了更高的要求。在长期高温服役条件下，镍基高温合金中的γ’相会逐渐长大，导致合金的力学性能恶化。因此，微观组织稳定性对高温合金的服役性能具有重要影响。一般通过实验的方法研究微观组织稳定性主要是通过长期的热暴露实验，该实验的周期较长、成本较高。而通过理论计算的方法预测γ’相的粗化速率对加速镍基高温合金的成分设计与优化具有至关重要的作用。

镍基合金的维管组织稳定性、氧化、蠕变等性能与合金化元素的互扩散系数紧密相关，而镍基高温合金化学成分多(＞7个)，合金元素之间的交互作用比较复杂，当前镍基高温合金的互扩散系数研究主要集中在二元、三元等低组分体系，对镍基多组分体系的互扩散系数主要是基于低组分体系的互扩散信息通过CAPHAD方法外推得到，与实际合金的互扩散行为具有较大的偏差，因此，通过实验的方法高通量获得可靠的镍基多组分原子移动性数据库对预测γ’相的演化以及通过相场模拟方法研究镍基微结构的演化具有至关重要的作用。

合金的微观组织演化、蠕变、氧化等过程均涉及合金元素的扩散过程，通常使用互扩散系数来描述合金化元素在某个特定的相中的扩散的快慢。目前，镍基多组分体系的互扩散系数在文献中鲜有报道，导致合金设计过程中依赖二元、三元等低组分体系的扩散信息，未考虑到元素之间的相互作用，且外推得到的多组分扩散动力学数据库的可靠性有待考量，对合金设计的可靠性提出了挑战。

互扩散系数作为一种物理性质，不能通过实验直接获得，而是需要通过求解Fick第二定律或Einstein-Smoluchowski方程来获得。互扩散系数的测定方法主要有理论计算与实验测定。理论计算主要是结合第一性原理计算、集团展开法和蒙特卡罗等方法来获得互扩散系数。实验测定的方法主要是基于Fick第二定律从扩散偶的成分-距离曲线中提取互扩散系数，其中最为广泛使用的是通过固相扩散偶方法来获得成分-距离曲线，进而发展为扩散多元节方法。从成分-距离曲线中提取互扩散系数的传统方法有Boltzmann-Matano方法、Sauer-Freise方法、Wagner方法和Kirkaldy-Matano方法等，而这些方法只适合求解二元、三元合金体系的互扩散系数，难以求解多组元合金体系互扩散系数。

镍基高温合金在长期高温服役条件下，由于表面能的降低，γ’相会逐渐长大，降低合金的力学性能。大量研究表明，γ’相的粗化是体扩散控制的过程。根据经典的LSW粗化理论可知，γ’相的粗化速率与合金化元素在基体相中的扩散紧密相关。目前在计算合金基体相中有效扩散系数时，采用的是镍基二元体系的自扩散系数或杂质扩散系数与合金中元素的摩尔分数乘积的线性叠加来获得，未考虑粗话过程中元素之间的交互作用。