NbCr2基合金的原子尺度预测和多相适配设计及其强韧化机理研究

Laves phase NbCr2 alloy with high melting point, appropriate density and good high temperature strength has become an important potential high temperature structural materials, but poor room temperature toughness restricts its engineering applications. Alloying is an effective toughening method, but the mere experimental techniques to explore a wide composition range added alloying elements and obtain the optimal mechanical properties are costly and inefficient. This project intends to calculate the elastic properties of Nb-Cr-X (where X is the alloying elements) first using the first-principles to select the toughening alloying elements(M) from the point of the elastic modulus based on the atomic-scale simulaton; then using CALPHAD build Nb-Cr-M ternary phase diagrams of research temperatures to the high efficiency design alloy compositions based on multi-phase adaptation; then using mechanical alloying and hot pressing processes in-situ synthesize Nb-Cr-M compounds with micro/nano grains, and test their mechanical properties and analysis of the microstructure to reveal the multiple strengthening and toughening mechanisms of the alloying element M on room-temperature toughness of NbCr2. Strive to lay a foundation for the relationships of Nb-Cr-M based superalloys for high-performance composition region of phase diagrams, compositions, preparation processes, microstructure and properties from theoretical calculations and experiments. Provide a new route for independently development a new high-temperature alloys with a intellectual property rights.

NbCr2合金具有熔点高、适当的密度和良好的高温强度等优良性能成为重要的潜在高温结构材料，但室温韧性差是制约其工程应用的关键问题。合金化是一种有效增韧的方法，但仅凭实验技术探索添加合金元素后的宽广成分范围以获得最佳的力学性能既耗资巨大，又效率低下。本项目拟先通过第一原理计算Nb-Cr-X（X为合金元素）的弹性性能，基于原子尺度的模拟从弹性模量的角度选择有韧化效果的合金元素M；然后采用相图计算方法构筑Nb-Cr-M所需研究温度的三元相图，多相适配高效率设计关键实验确认的合金成分；再采用机械合金化和热压工艺原位合成具有微/纳米晶组织的Nb-Cr-M块体试样，测试力学性能并分析微观结构，揭示合金元素M对NbCr2室温韧性的多重强韧化机理。力求通过理论计算和实验为建立Nb-Cr-M合金高性能成分区域的相图-成分-组织结构-性能之间的关系奠定基础，为发展一种具有自主知识产权的新型高温合金提供新思路。

NbCr2合金因为熔点高、适当的密度和良好的高温强度成为重要的潜在高温结构材料，但室温韧性差是制约其工程应用的关键问题。合金化是一种有效增韧的方法，但仅凭实验技术探索添加合金元素后的宽广成分范围以获得最佳的力学性能既耗资巨大，又效率低下。本项目先通过第一原理计算Nb-Cr-X（X为合金元素）的弹性性能，基于原子尺度的模拟从弹性模量的角度选择有韧化效果的合金元素M。采用第一原理系统计算了合金元素在NbCr2合金中的占位行为。研究结果表明，合金元素Y、Sc、Zr、Hf、Cd、Ta、Ti、 Ag优先占据Nb的位置，而Zn、Pt、Re、Tc、Ir、V、Os、Rh、Ru、Ni、Co、Mn、Fe、Cu 优先占据Cr的位置，Mo、 W、Pd和Au则具有占据Cr 或Nb位置的倾向。通过原子尺寸空间优化出一条韧化合金元素的策略，计算结果表明Re具有最大的提高NbCr2合金断裂韧性的倾向，其次为Os、Ir、Tc、Ru、Rh、Cu、Pt 和Mo。经典的Pugh准则是根据体积模量和剪切模量的比值（1.75）来判断金属脆韧转变，而对于NbCr2合金及其合金即便是比值为3.69，依然表现为脆性，研究结果表明经典的Pugh准则不适用于NbCr2及其合金。本项目研究对Pugh准则的适用合金进行了讨论。采用相图计算方法构筑Nb-Cr-M所需研究温度的三元相图，多相适配高效率设计实验确认的合金成分；再采用机械合金化和热压工艺原位合成具有微/纳米晶组织的Nb-Cr-M块体试样，测试力学性能并分析微观结构，揭示合金元素M对NbCr2室温韧性的多重强韧化机理，为发展一种具有自主知识产权的新型高温合金提供新思路。