Nb-Ti-Co复杂包共晶合金定向凝固特性、相选择规律及其机理研究

Recently, great progress has been made and a mature theoretical model are established in the research of the binary alloy. However, the majority of practical industrial alloys are multi-component alloys. Up to now, there has not been a relatively complete solidification theory model for the ternary alloy. In addition, the quasi-peritectic reaction usually occurs in the solidification process of most ternary alloy, and its reaction mechanism is not clear. Based on the above problems, the typical Nb-Ti-Co three quasi-peritectic alloy is selected in this project and the solidification characteristics of this alloy are investigated through systematic directional solidification experiments and thermodynamic calculation. Mainly includes: the solidification path in directional solidification of quasi-peritectic alloy, solute segregation characteristics, interface stability, quasi-peritectic reaction mechanism and phase selection rule, etc. Furthermore, the phase selection model of this alloy is also established. On the one hand, through the implementation of this project, the blanks of quasi-peritectic solidification theory are filled in multi-component alloy solidification theory system, enrich and develop the solidification theory for multi-component alloy. On the other hand, the problems of phase selection and composition optimization design difficulties caused by Nb-Ti-Co hydrogen permeable alloy solidification, which exists multiple quasi-peritectic reaction, are solved, as the preparation of hydrogen separation membrane materials to provide theoretical and experimental basis.

近年来，国内外对二元合金的研究取得了很大进展并建立了成熟的理论模型。然而，在实际应用的工业合金中绝大多数为多元合金。迄今为止，即使对于三元合金，也还没有建立相对完整的凝固理论模型。另外，大部分三元合金凝固时均会发生包共晶反应，目前对于上述反应机理还不清晰。基于此，本项目选取典型的Nb-Ti-Co三元包共晶合金为对象，通过系统的定向凝固实验和相图热力学计算对该合金凝固特性开展研究，主要包括：包共晶合金在定向凝固中的凝固路径、溶质分凝特性、界面稳定性、包共晶反应机制以及相选择规律等，进一步完成三元包共晶合金相选择模型的建立。通过本项目的实施，一方面填补多元合金凝固理论体系中包共晶凝固理论的空白，丰富和发展多元合金凝固理论体系；另一方面解决长久以来Nb-Ti-Co氢分离合金凝固时因存在多个包共晶反应所导致的合金(膜)相选择及成分优化设计困难等突出问题，为该系氢分离膜材料的制备提供理论和实验依据。

近年来，国内外对二元合金的研究取得了很大进展并建立了成熟的理论模型。然而，在实际应用的工业合金中绝大多数为多元合金。迄今为止，即使对于三元合金，也还没有建立相对完整的凝固理论模型。另外，大部分三元合金凝固时均会发生包共晶反应，目前对于上述反应机理还不清晰。因此，本项目利用Brigeman定向凝固技术对包共晶Nb-Ti-Co和V-Ti-Co合金体系并开展了一系列研究工作。项目实施过程中，首先基于CALPHAD方法构建合金系相图，获取了相图中的平衡凝固结晶反应和58种合金凝固过程中的凝固结晶参数和凝固路径，并利用铸态实验对其进行了验证；在上述工作基础上，围绕两个包共晶点制备出了母合金锭，并对其开展了不同抽拉速率下（1、3、5、15、30、70 µm/s）的定向凝固实验，建立多相“复合”界面稳定性判据以及单相枝晶生长动力学模型；最后，结合一系列电化学和渗氢实验开展了上述合金（主要是Nb-TiCo共晶沟上）的氢传输性能（吸氢、渗氢和置氢等）研究，提出了该系滤氢合金成分设计选择图，得出了渗氢性能和抗氢脆性能优异的合金成分。本项目在国内外知名刊物发表论文28篇，其中SCI论文检索18篇(一区：4篇；二区：13篇；三区：1篇)，另申请专利2项，培养硕士研究生7人。这些科研成果不仅为高性能Nb-Ti-Co氢分离合金(膜)的成功制备提供技术支撑，而且对于丰富和发展多元合金凝固理论也有重要的学术价值。