γ'相强化新型钴基高温合金相关系与相稳定性研究

The present work will be focused on the γ'-strengthened Co-base superalloy systems which consists of Co、Al、W、Cr、Ta、Ti、Nb、Ni、Mo and V etc. The main research contents are listed as the following： Studying the composition, crystal structure, phase relations and the distribution of γ’,TCP phase and other alloy phases in the matrix which have an important effect in the γ'-strengthened Co-base superalloys; Optimizing the related alloy systems using CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram) technique according to the phase diagram data and thermochemical data obtained by first-principle calculation, and constructing the thermodynamic database of γ'-strengthened Co-base superalloys by means of the tthermodynamic paramenters obtained in the present work and literature, which can be used for obtaining the phase diagram of higher system, calculating the equalibrium transformation process and non equilibrium transforamtion process for special alloy composition and obtaining the elements distribution in different sublattices. The final object of this project is offering the accurate phase tramsformation data for γ'-strengthened Co-base superalloys and important theory basis for designing the appropriate composition.

本申请以Co-Al-W-X(X=Cr、Ta、Ti、Nb、Ni、Mo、V等)组成的合金体系为主要研究内容，对γ'相强化新型钴基高温合金中的fcc基体相、γ’以及其他析出相的成份、晶体结构、相关系和各合金相在基体相中的分布状态等进行实验研究和分析；统一新型钴基高温合金中重要的析出相γ’、TCP相等合金相的热力学模型；对相关合金体系进行热力学优化，结合文献报道热力学数据建立多元γ'相强化新型钴基高温合金热力学数据库；并在此基础上，讨论和分析金属间原子置换或替代机理和规律，研究合金元素之间的置换或替代对合金γ/γ’两相区存在的温度范围以及成分范围的影响，为探索和设计具有优异综合性能的γ'相强化新型钴基高温合金提供坚实的理论数据，对研发新型钴基高温合金具有重要的理论意义和实用价值。

传统钴基高温合金具有优异的耐热腐蚀和抗热疲劳性能，但高温强度低于依靠γ′-Ni3Al沉淀强化的镍基高温合金，从而限制了其在航空发动机和燃气轮机等热端部件上的进一步应用。在Co–Al–W三元体系中发现的与基体共格的γ′-Co3(Al,W)相为新型钴基高温合金的发展提供了新方法。.本项目以新型钴基高温合金为研究对象，采用SEM-EDS、XRD和DTA等物相表征方法测定了Co-Ta、Ni-Ta、Al-Co-Ti、Ni-Ti-W、Co-Ti-W、Cr-Ta-Ti、Cr-Ni-Ta、Ni-Ta-W、Co-Nb-Ti、Co-Ta-W和Cr-Ta-W等二元以及三元铸态合金的凝固组织、各相的晶体结构及化学成分，分析了不同成分铸态合金的凝固过程，结合差热分析确定了合金体系中不变反应的温度，构建了Al-Co-Ti、Ni-Ti-W、Co-Ti-W、Cr-Ta-Ti、Cr-Ni-Ta、Ni-Ta-W、Co-Nb-Ti、Co-Ta-W和Cr-Ta-W等体系的液相面投影图。采用相同的物相表征方法测定了Al-Co-Ti (800℃)、Ni-Ti-W (900℃、1100℃)、Co-Ti-W (1000℃、1200℃)、Cr-Ta-Ti (1000℃、1200℃)、Cr-Ni-Ta (1000℃)、Ni-Ta-W (1000℃、1200℃)、Co-Nb-Ti (1100℃、1200℃)、Co-Mo-Hf (850℃、950℃、1100℃)、Ni-Nb-Hf (950℃、1100℃)三元合金在不同温度的相平衡关系，构建了不同温度的等温截面图。.在上述实验基础上，结合文献报道的相平衡、相结构以及热化学数据，统一了具有相同结构的TCP相的热力学模型。利用CALPHAD技术对Al-Co-W、Co-Ni-Ti、Co-Ni-Ta、Co-Ti-W、 Al-Co-Ti、Co-Cr-Ni、Al-Ni-Ti、Al-Co-Ni、Al-Co-Ta、Cr-Ta-Ti、Cr-Ni-Ta、Cr-Ni-Ti、Al-Co-Cr、Al-Ni-Ta、Al-Cr-Ni、Co-Cr-W、Ni-Ti-V、Co-Ti-V等29个三元系进行了热力学优化整合, 获得了自洽一致的热力学参数。在此基础上，构建了包括24个二元系和29个三元系在内的新型钴基高温合金热力学数据库，为新型钴基高温合金的设计研发提供坚实的理论基础。