多元素共同作用对Ni-Nb-Cr-Mo基合金晶界δ相析出影响机制及强韧化相关性

During long-term thermal exposure or service exposure, one of intermetallic phases, δ phase, is observed frequently in Nb bearing nickel-based superalloys which are used for larger castings in ultra-supercritical power plants. Because a large amount of needle-like δ phases or the δ phases being all through granular will degrade strength, toughness and stress-rupture life of the alloys, based on a Ni-Nb-Cr-Mo alloy system, this project will work for developing methods to control the precipitation of δ phases with interactions of alloy elements such as C, B, Hf, Al and Ti, including control of the amount of δ phases, restriction of the precipitation of δ phase at grain boundary, and being free of needle-like δ phases. Therefore, the project conducts the following points: (1) numerical simulation based on first-principles will be conducted to study the effect of different elements on the precipitation of δ phase, (2) study the law of nucleation and growth of δ phase with different stresses or free of applied stress, unearthing the mechanism with which the factors affect the δ phase formation, (3) study on the correlation between controlling of the precipitation of δ phase with interaction of diffrent elements methods with strengthening and toughening.

超超临界机组中大型铸件用含铌镍基高温合金在长期时效或使役过程中往往会析出δ相。由于大量的、贯穿整个晶粒的针状δ相对强度、韧性和持久寿命等力学性能有大的甚至严重的危害作用，故本项目拟通过多元素（C、B、Hf、Al和Ti）共同作用对Ni-Nb-Cr-Mo系合金晶界析出δ相进行控制，包括控制δ相析出数量；控制δ相分布在晶界附近，不析出在晶内；以及δ相不以针状形态析出。为此，本项目 (1)采用第一原理等理论方法和实验相结合，考察合金元素的交叉相互共同作用对δ相析出的影响；(2)建立包含应力参数的热力学和形核动力学模型，对比研究不同应力状态下δ相形核和长大过程；(3)合金元素配比控制晶界δ相析出和合金强韧化的相关性。

研究了NiCrMoNb合金中δ相和γʺ相的析出和转化机制。通过第一性原理和SEM，TEM和3D原子探针实验研究了合金中Ni3Nb-γʺ相向Ni3Nb-δ相转化机制：第一原理计算得出δ相从γ基体中析出的形成能绝对值比γʺ中大0.87eV/atom，表明δ 相从γ基体中析出的倾向性更明显；γʺ相之间的基体存在应变场对于δ相的形核起关键作用，而新析出δ相和γ″ 相之间的应变场诱导的界面位错，促进γ″相向δ相的转化，在随后的δ相长大过程中起重要作用。.添加不同Nb、Cr、Mo含量的合金中，Nb对δ相析出的影响较为显著，随着Nb含量增加，δ相析出量明显增多，而Mo和Cr一定程度上也促进了δ相的析出，但影响较小。添加不同Al、Ti、B元素合金在700 ℃/750 ℃下长期时效研究表明：合金在700℃时效300h后，晶界析出M23C6呈网状分布在晶界上，枝晶间和晶界附近析出盘状γ″相，且合金晶界和碳化物附近析出针状δ相。时效2000h后γ″相可以转化为δ相。Al和Ti元素的添加能够明显改善γ″相的稳定性。合金中加入的Al、Ti元素对合金的树枝晶组织和析出相影响很小，而B元素能够增加二次枝晶间距。添加这三种元素对合金主元素的偏析比影响很小。固溶处理后，无Al、Ti和B的合金和添加0.2Al0.2Ti合金中碳化物较多；添加B元素对合金的拉伸强度影响也不大，但能明显改善合金的拉伸塑性。通过热力学和动力学计算表明： Al/Ti比的增加或者（Al+Ti）含量的增加将会抑制Ni-Nb-Cr-Mo合金中δ相的析出，同时，δ相中的Nb含量也会增加，但是Mo含量会下降。δ相析出量随着Nb含量的增加而显著增加，但是B元素的增加对δ相含量没有影响。机器算法表明，优化后的Al、Ti和B添加比例会明显的提升合金持久性能。.多元素优化后，添加Al、Ti、B的无Hf合金中的主要组成相是MC、γ′、γ″，Al、Ti、Nb和Mo元素弱偏析于枝晶间，Cr和Ni元素偏析于枝晶干；Hf元素的加入主要影响Nb元素偏析行为。多元素共同作用使得合金中的δ相含量降低，且控制在晶界区域析出。Al、Ti、Nb、B和Hf元素的共同作用使δ相形成元素在应力作用下的扩散行为得到调节，促使合金中析出γ′相，进而明显提升合金持久性能。另外，γ′相与位错的交互作用主要是绕过机制。