基于高温抗氧化性改进的Ni3Al基合金中γ′相析出和γ′/γ相界面控制

With the increase of engine thrust and thrust weight ratio, high turbine inlet temperature requires the improvement of mechanical property and oxidation resistance of Ni3Al based superalloys. A large number of γ′ phases and γ′/γ phase interfaces significantly influence the high temperature mechanical property of Ni3Al based alloys. Meanwhile, they affect the alloys′ high temperature oxidation resistance by acting on the diffusive transport of alloying elements and oxygen atoms and the formation of oxidation film. Therefore, in this project, the γ′/γ phase interface models with different mismatches will be established by first principle calculation, and γ′ phases with various typical characteristics will be obtained with the optimization of alloy composition and heat treatment process. The project will research the effects of γ′ phase precipitation and γ′/γ interface on the formation and evolution of oxidation film, and study the distribution characteristics of alloying elements in oxidation film and matrix. Moreover, the high temperature oxidation resistance mechanism of γ′ phase precipitation and γ′/γ interface will be illuminated. All of these results will provide fundamental data and guideline to improve alloys′ high temperature oxidation resistance by the manipulation of γ′ phase precipitation and γ′/γ interface.

随着发动机推力和推重比的增大，涡轮入口温度不断提高，要求相应零部件用Ni3Al基高温合金的力学性能和抗氧化性能不断提高。Ni3Al基合金中大量存在的γ′相以及所产生的γ′/γ相界面，在显著影响其高温力学性能的同时，也会影响合金元素与氧原子在合金中的扩散迁移和氧化膜的形成过程，从而影响Ni3Al基合金材料的高温抗氧化性能。本项目拟采用第一性原理模拟计算来构建不同错配度下的γ′/γ相界面模型，通过合金成分和热处理工艺优化来获得不同典型特征的γ′相及γ′/γ相界面；研究分析合金高温氧化过程，γ′相析出和γ′/γ相界面对氧化膜组织形成与演变的影响及合金元素在氧化膜/基体中分布特征；阐明γ′相和γ′/γ相界面存在状态对合金高温抗氧化的作用机制，旨在通过γ′相和γ′/γ相界面的选择性调控来显著改善合金的高温抗氧化性。

Ni3Al基高温合金在服役过程中，高温氧化会导致部件使用性能下降、服役寿命缩短。而高温合金中存在的大量γ′相以及所产生的相界面，会显著影响合金抗氧化性能。本项目以γ+γ′两相Ni-Al合金和高Fe、Cr多相Ni3Al基高温合金作为模型合金，通过成分优化和固溶时效工艺获得了不同存在状态的γ′相及相界面，揭示了合金结构依赖氧化行为，阐明了γ′相和相界面存在状态对合金高温抗氧化的作用机制。对于γ+γ′两相Ni-Al合金，等温氧化（650 °C）的初始阶段，氧化行为主要取决于γ通道中氧化物的生长方式；在等温氧化后期，γ通道内的Ni-Al尖晶石结构对氧化的影响减弱，氧化行为主要取决于内氧化区中氧化物结构。具有窄γ通道和小尺寸γ′相的合金表现出更优异的抗氧化性能。对于多相Ni3Al基高温合金，合金中存在三个微区（枝晶干γ′+γ两相区、枝晶间β相、γ′包覆层），且Cr、Fe元素倾向于在γ通道中偏聚。等温氧化温度（600 °C）较低时，三个微区表现出显著不同的氧化行为。γ′相包覆层优先发生氧化，形成显著凸起的NiO和NiFe2O4胞状混合物。氧化温度升高（1000 °C），晶格扩散占据主导作用，Al离子扩散加快，不同微区氧化行为差异减小，氧化膜组成逐渐趋于一致，形成致密单一Al2O3层。