Phase Lab鎳基數據庫

輔助開發Ni-AI-Cr-X系高溫合金

Ni-Al-Cr-X四元系(X=Mo、Ti和W)，基于γ基體相(FCC_A1結構)與γ'有序相(FCC_L12結構)的協同效應，展現出開發高性能高溫鎳基合金的巨大潛力。其中Al元素是γ'相的形成來源，Mo、Ti和W等其他合金元素一方面可以有效增強基體相固溶強化效果，另一方面可以優化γ'相的析出行為。深入研究合金元素對Ni-Al-Cr-X四元系乃至更高組元在熱力學平衡或非平衡條件下的物相組成規律，對調控鎳基合金微觀組織和性能至關重要。

基于計算熱力學理論(#CALPHAD方法#)構建的鎳基合金熱力學數據庫，可預測復雜體系在熱力學平衡或非熱力學平衡下的物相組成。當前Phase Lab已經上線的鎳基熱力學數據庫，涵蓋11種基礎合金元素，可滿足典型鎳基合金體系的熱力學計算需求。 （一）Phase Lab計算Ni–Al–Cr–Ti體系 在Ni-Al-Cr-Ti體系中，約有10%Ti元素進入γ固溶體，起到固溶強化的作用；另外90%進入γ'相，代替γ'-Ni3Al相中的Al原子，形成Ni3(Al, Ti)，提高γ'相的析出溫度與相分數，增加位錯運動阻力，進而提升合金的瞬時拉伸強度和持久強度。此外，γ'相中存在的Ti原子還可以提高反相疇界能，從而強化切割機制引起的強化效應。采用Phase Lab軟件計算不同溫度和Ni含量條件下Al、Cr和Ti合金元素的添加含量對γ/γ'相平衡的影響，如圖1所示，并與相關實驗數據的對比，可輔助調控Ni-Al-Cr-Ti系中合金元素以及微觀組織含量。

圖1 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Ti四元系等溫截面計算相圖

(a) x(Ni)=0.75,T=750℃; (b) x(Ni)=0.75,T=1000℃;

(c) x(Ni)=0.715,T=1000℃; (d) x(Ni)=0.715,T=1100℃；

(e) x(Ni)=0.765,T=1000℃; (f) x(Ni)=0.765,T=1100℃

（二）Phase Lab計算Ni–Al–Cr–Mo體系

Ni–Al–Cr–Mo體系中，Mo元素主要傾向于在γ基體中固溶，在高溫時阻礙Al、Ti和Cr的擴散，增強擴散激活能，加強原子結合力，減緩合金的軟化速率，提高合金的屈服強度。基于鎳基熱力學數據庫，利用Phase Lab計算Ni-Al-Cr-Mo體系的物相組成(見表1)，有助于理解Mo元素添加量對γ/γ'相平衡的影響。

表1 Ni-Al-Cr-Mo系900℃下γ和γ'相分數實驗值/計算值對比

圖2 γ和γ'相分數實驗值/計算值對比

基于表1所示的實驗信息，圖2(a)和(b)分別展示了γ和γ'相的摩爾相分數計算值與實驗值的對比結果，一定程度可用于數據庫可靠性的驗證。另外，如圖3所示，基于Phase Lab軟件計算Ni-Al-Cr-Mo四元系在不同溫度和Ni含量下的等溫截面相圖，對含Mo鎳基合金體系的成分與組織調控具有重要指導意義。

圖3 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-Mo四元系等溫截面計算相圖

(a) x(Ni)=0.76,T=1523K; (b) x(Ni)=0.755,T=1273K; (c) x(Ni)=0.76,T=1073K

（三）Phase Lab計算Ni–Al–Cr–W體系

W元素通過固溶強化機制增強合金的強度，同時顯著提高鎳基合金的硬度和耐磨性，并改善鎳基合金的耐腐蝕性能。然而，鎳基合金中大量W元素的添加，容易富集在枝晶干區域，提高γ基體中固溶元素的過飽和度，導致TCP相的析出，降低固溶強化效果，最終導致合金強度的下降。基于Phase Lab鎳基熱力學數據庫，易于深入理解多組分鎳基體系的平衡相圖，在控制γ基體和γ'有序相合理共存的同時，避免可能析出的各種有害金屬間化合物相。圖4開展了Ni-Al-Cr-W四元系熱力學平衡計算，構建了體系合金成分-物相組成-溫度的定量化關系，可以為合金成分設計與組織/性能調控提供可靠的數據支持。

圖4 不同溫度和Ni含量下Ni-Al-Cr-W四元系等溫截面計算相圖

(a) x(Ni)=0.71,T=1173K; (b) x(Ni)=0.71,T=1273K;

(c) x(Ni)=0.76,T=1173K; (d) x(Ni)=0.76,T=1273K;