NbRu-基合金成分设计及合金化增韧的微观机理研究

The NbRu alloy has been considered to be a potential high-temperature shape memory alloy because of its high martensitic transformation (MT) temperature (~900℃). But poor room temperature toughness restricts its engineering applications. In the present topic, we would try to improve the toughness by alloying from composition design angle, then study the micro-mechanism of toughening. First, the toughening elements X (X represents the alloying elements) will be predicted according to the calculated results of atomic free volume of NbRu-X compounds by first-principles. The composition alloy can be designed based on multi-phase adaptation effectively according to the isothermal section of Nb-Ru-X ternary system obtained by multi diffusion junction high throughput. Then we would study the following properties of the composition alloy: the phase transformation sequence, microstructure and substructure, fracture toughness and martensite morphology with the increase of shape variables and strain recovery characteristics. The thermodynamic properties of the composition alloy would be calculated by first-principles and the microstructure evolution will be simulated by phase-field method. Finally, we would investigate the micro-mechanism of toughening NbRu by alloying based on the experimental and computational simulation results.

NbRu合金由于其高的马氏体转变温度（~900℃）而具有高温形状记忆应用的潜力，但其室温脆性制约着它实际的工程应用。本课题拟从成分设计角度出发，通过合金化提高NbRu的韧性并研究其增韧微观机理。首先拟通过第一性原理计算NbRu-X（X为合金元素）化合物原子自由空间率预测具有增韧效果的合金元素。用多元扩散结高通量获取不同温度下Nb-Ru-X三元系等温截面相图，多相适配高效进行合金成分设计。接着研究分析不同成分合金的相变顺序、组织结构和亚结构、断裂韧性、马氏体组织形貌随形变量增加时的组织演化过程及其应变恢复特性。再者，用第一性原理计算成分合金的热力学性质以及用相场方法模拟马氏体相变微组织演化过程。最后，根据实验和计算模拟的结果揭示合金化增韧NbRu的微观机理。

NbRu合金由于其高的马氏体转变温度（~900℃）而具有高温形状记忆应用的潜力，但其室温脆性制约着它实际的工程应用。本课题拟从成分设计角度出发，通过合金化提高NbRu的韧性。本项目首先用第一性原理计算，根据原子自由空间率指标，计算了过渡族元素掺杂NbRu的自由空间率，初步得出过渡族元素对NbRu的增韧情况。接着，选取了Cr、Fe、Co和Ni作为合金化元素，接着通过多元扩散节以及合金相结合的方式的测定了Cr-Nb-Ru、Fe-Nb-Ru、Co-Nb-Ru和Ni-Nb-Ru四个体系1100℃等温截面相图，精确的获得了各相的溶解度范围。在研究相图的过程中，发明了一种判断和精确测定溶解度间隙的方法，用该方法发现并精确的测定了Nb、Cr和Fe在Ru中以及Ru在Cr中的溶解度间隙。另外，分别在研究Cr-Nb-Ru、Fe-Nb-Ru、Co-Nb-Ru和Ni-Nb-Ru四个体系1100℃等温截面相图过程中，共发现了10个新的三元化合物。通过Rietveld方法的方法对Cr-Nb-Ru等温界面中的新的三元化合物Cr2NbRu2该新的三元化合物的结构进行了解析，得到该化合物具有与Ag5Zn8相同的晶体结构（空间群I-43m No.217）,晶胞参数a=b=c=0.93513(1)nm。此外，还发现该化合物具有良好的吸波性能。此外，本项目还利用第一性原理计算了过渡族元素在Nb中的扩散行为，过渡族元素对Nb5Si3的增韧情况，并探究了其增韧的机理。本项目所获得的Cr-Nb-Ru、Fe-Nb-Ru、Co-Nb-Ru和Ni-Nb-Ru四个体系1100℃等温截面可以为进一步的多相适配进行NbRu基增韧合金成分设计提供数据基础。本项目实施过程中提出的判断和精确测量溶解度间隙可以适用于其它体系的相图研究。另外，本项目发现的新的三元化合物Cr2NbRu2具有良好的吸波性能，有望用于隐形飞机的表面。