镍基高温合金由于其独特的双相组织而具备优异的高温机械性能和抗氧化等综合性能,已成为制造先进航空航天发动机和燃气轮机叶片的主要材料。现代商用镍基合金大多在Ni-Al-Cr三元系基础上添加多种合金元素(尤其是难熔金属元素)制备而成。这些难熔金属元素同时分布于γ(FCC)和γ’(L12)两相,主导合金的相析出行为,对合金显微组织和高温力学性能有决定性的影响。因此,开展难熔金属元素对镍基合金相析出行为影响的研究,为高性能合金优化设计提供理论指导,具有一定的科学意义及实践价值。本课题在美国西北大学原子探针技术中心开展的镍基高温合金及难熔金属元素添加对合金性能影响研究体系基础上,采用原子探针层析技术(Atom probe tomography,APT)和第一性原理等实验和理论方法,针对不同固溶时效参数下的多种模型Ni-Al-Cr基合金,研究分析难熔金属元素R(W、Re、Ru、Ta)对模型合金纳米结构、化学成分及界面特征的影响,主要研究内容及结论如下:(1)探索难熔金属元素W、Re交互作用对模型Ni-Al-Cr基合金析出相纳米结构演化的影响。利用APT实现元素原子的三维重构,实验结果显示,在淬火状态下的合金中,已有球形γ’相颗粒析出。淬火状态和时效0.25 h时,部分γ’相颗粒由脖颈连通,说明在早期粗化阶段,经典Ostwald熟化机制和析出相颗粒合并机制共存。随着时效时间延长,析出相平均半径不断增大,数量密度则不断降低。在析出相体积分数稳定时效期间,平均半径和数量密度粗化时间指数和UO模型预测值接近,说明合金至少处于准稳态粗化状态。(2)分析W、Re对模型Ni-Al-Cr基合金化学演化的影响,测试分析相析出过程中合金元素在两相和界面区域的分布规律。结果显示,在整个时效过程中,Ni的两相浓度无明显变化,Al、W元素不断扩散进入γ’相,Cr、Re元素则倾向流入基体相。W、Re元素扩散性能较差,在两相中的分配演化速率缓慢,因此,添加W、Re可减缓合金成分平衡进程。合金界面宽度值随时效时间延长而变小,时效256 h后,标准化界面宽度趋于零,说明长期时效后合金的界面区域非常狭窄。(3)结合APT和显微硬度测试结果,针对系统添加难熔金属元素的多种模型Ni-Al-Cr基合金,开展长期时效后合金元素分布规律研究。研究结果表明,难熔金属元素Re、Ru优先分配至γ相,W、Ta原子则更多分布在γ’相中,4种元素均优先占据γ’(L12)相的Al位。添加难熔金属元素后,更多Ni原子停留于γ相中。难熔金属元素可强化Al、Cr两相分配行为,提高析出相体积分数,对两者的强化效果遵循同样规律。得益于难熔金属元素的固溶强化作用与γ’相体积分数的增长,合金硬度提高。(4)分析模型Ni-Al-Cr基合金长期时效后仍然存在的Ni界面过剩现象,探索添加难熔金属元素对界面偏聚行为的影响机制。结合实验APT径向分布函数以及第一性原理计算结果,对R(W、Re、Ru、Ta)和S(S=Al、Cr)原子结合能进行计算,并分析R和S原子之间的空间相关性和结合能状态。分析结果显示,难熔金属元素和溶质元素原子之间存在化学结合能,R-S结合能会改变进出γ’相元素的扩散流矢量,增大界面区域宽度,导致界面处Ni原子局部富集和贫化行为更为显著。由于难熔金属元素在基体中扩散速率相对较慢,R-Cr吸引结合能将减缓溶质扩散流,导致Ni扩散性能下降,阻滞Ni原子在界面附近的迁移。