γ/γ’型高熵合金的高温稳定性和力学性能调控策略

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开发极端环境下具备高强度高塑性的优质结构材料对于航空航天工业的迅捷发展起着至关重要的作用。与传统的高温合金相比,新发展出来的γ/γ’型高熵合金表现出优异的强度和塑性兼备特性,迅速引起了学术界广泛的关注。尤其是最近报道的(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金,其室温下的屈服强度高达1.5GPa的同时,塑性仍能维持在50%,为下一代新型高温结构材料的开发提供了范例。但与镍基,钴基高温合金相似,这种强度-塑性兼备的优异性能,严重依赖于γ’析出沉淀相的热稳定性,尤其是在高温下。然而,由于发展时间短暂,实验上对于γ/γ’型高熵合金中γ’相高温热稳定性的研究仍处于“试错”的初级阶段。利用第一性原理计算的方法,从理论上探索提高γ’相高温热稳定性和本征力学性能的策略,对于新型高温结构材料的发现具有重要的指导价值。本研究首先利用经验参数价电子浓度VEC和晶格畸变常数δ,对40种γ/γ’型高熵合金的相组成规律进行考察,发现VEC并不适用于γ/γ’型高熵合金中“FCC+L12”的结构调控,但进一步考察合金的δ,可有效地对其相组成进行设计。利用相干势近似法(CPA)和精确Muff-tin轨道形式(EMTO)结合的第一性原理计算,系统地研究了(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中γ/γ’相成分下的原子择优占位、结构稳定性,以及有序无序转变行为对其磁性、力学性能和态密度分布的影响。结果表明,(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中L12结构的原子结构模型可表示为(Fe,Co,Ni)3(Ti,Al,Fe)。γ’沉淀相成分下FCC-L12结构的焓差要比γ基体相成分下的焓差大得多,从而有利于形成部分有序的L12结构;但同时,不利于其有序结构稳定存在的熵差也相对较大,而导致其在高温下转变为完全无序的FCC结构。熵和焓之间的竞争严格地决定了合金在该温度下的结构选择,且这种竞争能力与合金的具体成分密切相关。考虑到成分-结构之间的联系,以熵焓竞争关系为两者之间的桥梁,系统地评估了 Fe、Co、Ni、Al/Ti元素对(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中γ’相居里温度,机械稳定性及有序无序转变温度的影响。结果表明,Fe为γ’相的不利元素,其含量的提高会使得合金从顺磁性转变为铁磁性,且在较高含量时还会导致合金的机械不稳定性。而对其熵焓贡献进行探析发现,构型熵对于成分含量的改变并不敏感;相比之下,焓和振动熵为决定γ’相有序无序转变行为的关键因素。其中,焓为合金的固有属性,而振动熵与合金的晶格畸变程度成正比关系。因此,提高γ’相高温热稳定性的理想条件为:高焓差,低畸变。采用“低畸变,高熔点,低密度”的标准,结合实验成功案例的经验,筛选出了元素周期表中对γ’相高温稳定性可能有利的过渡族掺杂元素:Nb、Mo、Ta、W、V、Cr、Mn、Cu。利用第一性原理计算的方法,系统地探析了过渡族掺杂元素替代不利主元元素Fe对γ’沉淀相有序无序转变温度和本征力学性能的影响,并从广义层错能角度对其强韧化机理进行了讨论。计算结果表明,Nb和Ta元素为最理想元素,可同时提高γ’相的高温热稳定性及强度、塑性。
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