镍基单晶高温合金的设计方案及生长条件研究

镍基单晶高温合金具有优异的高温服役性能，是目前制造最先进燃气轮机和航空发动机叶片的首选材料。我国在该领域的研发与发达国家有巨大差距。如果能够快速预测不同组分合金材料的结晶能力并准确预测其最佳生长条件，则有可能从根本上迅速改变我国在该技术领域的落后现状。然而，这是长期以来在材料设计领域中悬而未决的问题。我们于近年提出的"结晶势"模型，可以很好地预测材料的结晶能力。本项目拟在已有工作基础上，研究镍基单晶高温合金材料的结晶能力并预测其最佳生长条件；同时改进已有的镍基合金化学组分的d电子设计方法建立镍基单晶高温合金设计与制备的理论与技术基础。

镍基单晶高温合金是目前最先进燃气轮机（如舰艇及飞机发动机）叶片制造的首选材料。本项目围绕这种材料的设计开展了如下工作: A) 将普遍使用的二维d电子设计方法拓展为四维，即新加入了原子平均半径和晶格错配度，并应用于已有的合金系列，得到了与大量实验测试一致的结果，在此基础上具体设计出了几种低成本高性能合金的化学组分；B) 将之前我们提出的凝结势（CP）模型推广应用于多元合金形成单晶体的能力预测，并以Ni-Al合金为例，开展了相关实验工作，观测结果与理论预测一致吻合，表明凝结势模型有望成为一种简便易行的预测方法而被广泛应用于筛选高温合金的化学组分；C）从理论上探讨了金属材料形成单晶体的最佳环境温度，发现熔点温度的0.6倍是最佳生长温度，并以镍基金属为例从实验上验证了此结论。其他课题组在该结论指导下进行单晶生长的实验表明，非金属材料的最佳结晶温度也是其熔点的0.6倍。这一普遍性对各种材料的单晶体生长有普遍指导意义；D) 考虑到常规研发单晶高温合金的实验都采用常规冶炼方法生长单晶，不仅耗材量大，关键是实验周期长，我们建立了脉冲激光生长合金薄膜实验系统，大大缩短了实验周期。这一实验方案对于工业研发新型镍基单晶高温合金有很大促进作用；E) 工业生产中实际测试金属材料的蠕变寿命需要数个月或几年时间，严重阻碍了新材料的研发和使用。我们建立了一种能够准确预测热原子扩散速率的单原子统计模型，它比传统的过渡态理论（TST）更简单更准确，进而建立了蠕变速率关于应力和温度的普适函数关系，并通过实际测量三种工业金属材料的蠕变寿命以及与前人大量的测量数据比较，表明该函数关系比之前几十年人们所使用的各种表达式都准确。因此，应用这一新的函数关系可使蠕变寿命的测试时间缩短三个数量级以上，对于加速开发镍基单晶高温合金具有重要促进作用；F) 在新材料设计中，需要从理论上快速地，准确地预测拟开发材料的熔点和硬度。我们将之前我们提出的凝结势模型成功拓展到预测材料的熔点和硬度。与已有理论比较，我们的模型不仅简便易行（可在个人计算机上于电子层次的量子力学计算水平上实施)，而且适应面更广，特别是它能够正确预测同一种晶体材料不同晶面熔点的微小差异（其他理论模型都做不到这一点）。