Phase Lab鎳基數據庫

驅動高性能Ni-AI-Co-Cr系合金設計

鎳基合金以優異的高溫強度、耐蝕和耐磨等性能，廣泛應用于航空發動機、燃氣輪機等高溫工作部件以及化工、醫療和海洋工程等腐蝕性環境中。其中合金元素的協同作用，是鎳基合金優異性能的重要來源。

基于#CALPHAD#方法，Phase Lab已正式上線12元鎳基合金熱力學數據庫(Ni-Al-B-C-Co-Cr-Mo-Nb-Ta-Ti-V-W)，可用于構建熱力學平衡條件下合金成分與物相組成的定量化關系。當前用戶可在鴻之微云平臺點擊試用。 （網址：https://cloud.hzwtech.com/web/personal-space/online-tool/online-phase-lab）

圖1 Phase Lab鎳基合金熱力學數據庫首頁

(一) Ni-Al-Co-Cr系合金優異性能的內因——合金元素的協同效應

Ni-Al-Co-Cr四元系是鎳基合金的核心體系，其中Al是形成γ'相(FCC有序相)的主要元素之一，隨著Al含量的增加，γ'相的體積分數顯著提升，其溶解溫度也隨之升高，同時形貌由球形轉變為立方體狀，從而提升合金的高溫強度。此外，Al元素還能促進形成致密的Al2O3氧化膜，提升合金的抗氧化性能。Co元素主要起固溶強化作用，提升合金的沖擊韌性和塑性。相比于Co，Cr元素的固溶強化效果較弱，但可在晶界上析出M23C6型碳化物，引發晶界強化效應。Cr元素同樣可形成Cr2O3氧化層，提高合金的抗氧化性和耐蝕性。

(二)Phase Lab指導鎳基合金成分設計

基于Phase Lab軟件并結合鎳基熱力學數據庫，開展Ni-Al-Co-Cr四元系熱力學平衡計算，構建Ni-Al-Co-Cr系合金成分-物相組成-溫度的定量化關系。其中二元系、三元系熱力學參數的準確性是Ni-Al-Co-Cr四元以至更高組元體系熱力學計算的基礎。圖2展示了Ni-Al-Co以及Ni-Al-Cr三元系垂直截面熱力學平衡計算與相關實驗數據的對比，可用于檢驗Ni-Al-Co以及Ni-Al-Cr三元體系熱力學參數的可靠性。

圖2 Ni-Al-Co體系垂直截面相圖(a)w(Ni)/w(Co)=9;(b)x(Al)=0.85

Ni-Al-Cr體系垂直截面相圖(c)x(Ni) =0.75;(d)x(Cr)=0.05

基于Phase Lab軟件并結合鎳基熱力學數據庫，開展Ni-Al-Co-Cr四元系熱力學平衡計算，可揭示不同合金元素含量對合金物相組成的影響，輔助Ni-Al-Co-Cr系合金的成分優化以及組織調控等。圖3展示了不同Co含量(原子分數)下Ni-Al-Co-Cr四元系等溫截面計算與實驗數據的對比結果，直接揭示不同Al與Cr元素含量對熱力學平衡條件下的物相組成以及γ(FCC_A1)、γ'(FCC_L12)、α(BCC_A2)、β(BCC_B2)以及σ(SIGMA_D8B)等相區的影響規律，為Ni-Al-Co-Cr四元系物相調控提供精確的數據基礎。

圖3 不同Co含量下Ni-Al-Co-Cr四元系等溫截面計算相圖

(a) x(Co)=0.19,T=900℃; (b) x(Co)=0.19,T=1100℃; (c) x(Co)=0.19,T=1200℃;(d)x(Co)=0.26,T=900℃; (e) x(Co)=0.26,T=1100℃; (f) x(Co)=0.26,T=1200℃; (g)x(Co)=0.30,T=900℃;(h) x(Co)=0.30,T=1100℃; (i) x(Co)=0.30,T=1200℃