扩散多元节方法在新型高温材料设计中的应用
以新型高温合金(含铝奥氏体耐热钢)的设计为具体对象,在热力学模拟计算的基础上,构建扩散多元节的高通量实验与表征系统,依据微区相平衡及动力学的研究,将实验与理论计算模型相结合,加速材料的设计。
“扩散多元节”方法[1]为赵继成教授在金展鹏院士发明的三元扩散偶的基础上所开发,其基本想法是利用扩散实验形成的固溶体和化合物相的成分变化/梯度来实现微区能测试,从而快速测定相图和扩散动力学数据,可以高效地获得成分-相-性能的关系。扩散多元节将多个不同金属块紧密贴合在一起进行高温热处理,促使金属间相互扩散形成固溶体或者金属间化合物,是高通量实验制备块体合金的主要方法。利用扩散多元节方法,在样品界面附近区域切片可得到大量组分连续渐变的合金,加速新型材料的设计。
高温材料设计的一个重要方面是搜寻多种合金元素高温稳定相的化学成分空间,以及其相平衡的热力学。前期研究表明[2],新型氧化铝保护层自发形成的奥氏体(Alumina-Forming Austenitic, AFA)耐热钢中加入3%左右的铜元素,可在蠕变过程中形成具有L12有序结构的析出相,该析出相的主要成分为镍、铜、铝(图1)。L12有序结构的析出相是高温合金中有效的高温强化方法,受制于其形成的化学成分范围了解不足的限制,L12析出相仅在镍基合金中得到了充分应用,而在铁基、钴基等合金中无法实现,影响了这些合金的高温应用范围。根据一些计算的结果和实验中获得的片段信息,通过设计扩散多元节实验的方法可以快速有效地搜寻在铁基、钴基等合金中形成高温稳定的L12析出相的化学成分空间,以及其相平衡的热力学,从而可以指导设计新型的L12析出相强化的铁基、钴基高温合金。
图1:含铜AFA耐热钢700ºC/150MPa蠕变断裂后(a) TEM明场图;(b) 衍射图;(c) 同一区域的暗场图;(d) 高分辨相;(e) 基体和L12有序析出相的EDS成分谱。
本项目通过带动力学模块的热力学计算软件模拟,选定所要研究合金的成分范围和扩散实验的温度、时间等条件,设计和制备了Fe-Ni-Al-Cu扩散多元节样品,图2。
图2:扩散多元节样品 (a)固结前;(b)固结后。
该扩散多元节样品经过1100ºC下的固溶扩散实验,在AFA耐热钢的预期服役温度700ºC下进行相平衡实验。图3为相平衡实验后的NiAl-NiCu边界,NiAl相已经转变为具有L12有序结构的(Ni,Cu)3Al相。
图3:扩散多元节样品在服役温度700ºC下的相平衡实验。
实验证明,Cu元素对L12析出相的形成有促进作用。Ni-Cu-Al三元系500ºC-700ºC等温截面相图[3]表明,Cu在Ni3Al相的固溶度可以高达28%,而在NiAl相的固溶度只有15%左右。高温时,Cu可以占据Ni3Al中Ni的晶格位置。扩散多元节方法形成的组分连续渐变的合金,提供了搜寻多种合金元素高温稳定相的化学成分空间。对所得扩散多元节样品进行微区成分和相组成分析,可以构建NiAl相、L12相等高温强化相的平衡关系。根据多步实验,提取的相转变热力学、动力学参数,可改善热力学模拟计算模型性,为下一步的合金设计提供指导。
作者:赵冰冰,博士,讲师,上海交通大学材料科学与工程学院高性能金属研究所,上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室。
Email:zhao.bb@sjtu.edu.cn
参考文献
[1] 赵继成,材料基因组计划中的高通量实验方法,科学通报,2013,58卷,35期,3647-3655.
[2] B. Zhao, J. Fan, Y. Zhao, X. Dong, F. Sun, L. Zhang,Formation of L12-ordered precipitation in an alumina-forming austenitic stainless steel via Cu addition and its contribution to creep/rupture resistance.ScriptaMaterialia, 2015, 109, 64-67.
[3] A.Prince, Aluminium-copper-nickel, Ternary Alloys, 1991, 4, 597-629.