多元合金有序/无序相变的扩散唯象模型及其与相场模型的耦合

A quantitiative description of microstructure evolution in materials is the core of materials design. Nowadays, the phase-field simulation based on the accurate thermodynamic and diffusion kinetic databases is one effective approach to realize this goal. For the multicomponent multiphase alloys with order/disorder transition, the reasonable diffusion kinetic database, as well as its effective coupling method with the phase-field model, is usually missing. The present proposal intends to choose a new generatin of bond coat system in thermal barrier coatings (TBCs), Ni-Al-Pt-Cr-Hf, as the target, and the following researches are to be performed: (1) Development of a phenomenological model in the four-sbulattice (4SL) formalism for description of diffusion in multicomponent alloys with order/disorder transition; (2) Establishment of accurate diffusion kinetic database for γ and γ′ phases in the Ni-Al-Pt-Cr-Hf system via an integration of key experiments, first-principles calculations, semi-empirical relations, and diffusion simulation; (3) Development of a new technique for effective coupling between the multi-phase-field model with finite interface dissipaiton and the thermodynamic and diffusion kinetic databases with order/disorder transition. It is highly expected that the completion of this project will provide a general phenomenological model for description of diffusion in multicomponent alloys with order/disorder transition, and also establish the diffusion kinetic database as well as the source code for couping the phase-field model and the databases, which is needed for quantitative phase-field simulation of microstructure evolution in TBCs. It will result in a critical step forward for design of the novel TBCs.

材料微结构演变的定量描述是材料设计的核心。基于精准热力学和扩散动力学数据库的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。对于含有序/无序相变的多元多相合金，迄今仍缺乏精准的扩散动力学数据库及其与相场模型有效耦合的方法。本项目拟选择新一代热障涂层的粘结层体系Ni-Al-Pt-Cr-Hf为研究对象开展如下研究：（1）建立用四个亚点阵模型描述多元合金有序/无序相变的扩散唯象模型；（2）集成关键实验、第一性原理计算、半经验公式及扩散模拟获得Ni-Al-Pt-Cr-Hf体系γ和γ′相精准的扩散动力学参数；（3）发展考虑界面耗散的多相场模型与含有序/无序相变的热力学和扩散动力学数据库高效耦合的新方法。项目的完成可望为多元合金有序/无序相变的扩散描述提供可采纳的唯象模型，并建立热障涂层微结构演变定量相场模拟所需的扩散动力学数据库及相场模型与数据库耦合的界面程序，使热障涂层设计前进重要的一步。

材料微结构演变的定量描述是材料设计的核心。基于精准热力学和扩散动力学数据库的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。对于含有序/无序相变的多元多相合金，迄今仍缺乏精准的扩散动力学数据库及其与相场模型有效耦合的方法，严重限制了对其制备及服役过程微结构演变的定量描述。本项目选择新一代热障涂层的粘结层体系Ni-Al-Pt-Cr-Hf为研究对象，完成了以下研究内容：（1）建立了用四个亚点阵模型描述多元合金有序/无序相变的扩散唯象模型；（2）从理论上否定了采用单一扩散偶测定成分相关三元扩散系数的传统方法，并提出了新型数值回归方法；（3）修正了Virgnes-Birchenall关系，并集成关键实验、第一性原理计算、半经验公式及扩散模拟获得了Ni-Al-Pt-Cr-Hf 体系γ 和γ ′相精准的扩散动力学参数；（4）发展了CALPHAD数据库与考虑有限界面耗散多相场模型高效耦合的新方法，并开发了界面程序；（5）提出了局部一维半隐高效算法，提高了微结构演变相场模拟的效率；（6）实现了镍基高温合金时效过程及服役阶段热障涂层粘结层与高温合金基体扩散过程微结构演变的定量描述。项目的完成为多元合金有序/无序相变的扩散描述提供了可采纳的唯象模型，实现了多元合金单相扩散系数矩阵的高通量测定，建立了热障涂层可靠的动力学数据库，发展了定量相场模拟所需的与CALPHAD 数据库进行高效耦合的方法、界面程序及高效算法，初步搭建了热障涂层的设计平台，为高性能热障涂层的设计打下了坚实的基础。项目执行期内在国际国内刊物上共发表标注项目资助论文39篇，其中SCI收录38篇，EI收录35篇。项目组成员共参加国际国内会议19人次，其中特邀报告1人次，口头报告10人次。项目组共毕业博士生3人、硕士生3人，与国外高校联合培养研究生2人次。研究生获国家级、校级奖学金7人次。此外，项目负责人在项目执行器内被聘为国际SCI源刊物Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy杂志编委及中国材料研究学会计算材料学分会委员、副秘书长。