新型Co-X (X: Al, V)基高温合金中γ'相的稳定性及成分设计的研究

As the great promising candidate for next generation high-temperature materials, novel γ'-strengthened Co-based alloys have attracted world-wide interests due to their superior performances under the complex environment. In this proposal, taking the critical γ' phase in the Co-X (X: Al, V) alloys as research object, firstly, the effects of alloying elements on structural stability, high-temperature mechanical and thermodynamic properties of γ' phase will be systematically studied in terms of first principles methods. Based on the electronic structural analysis, the influence mechanism of alloying elements on the structural stability and performances will be explored, and then the general influence trends by alloying elements will be observed as well. Secondly, based on the phase equilibrium information and our theoretical results, the alloying elements Y which are beneficial to the stabilization of γ' phase will be filtrated. using the experimental observations and CALPHAD technology, the Co-X-Y phase diagram will be optimized, and then the thermodynamics of Co-based ternary alloys are improved. Combining the results from first principles calculations and phase equilibrium information, the ultimate purpose of this proposal is to build a comprehensive design system of Co-based alloys. Based on this design system, we propose a pathway to high-efficiency design and obtain a new multi-component γ'-strengthened Co-based alloys owning suitable compositions, phase morphology, and superior performances by experiments.

新型γ'析出强化型Co基合金不仅继承了母合金的优异环境抗力，而且能发挥γ'析出相强化性能的优点，因被认为是下一代高温材料的理想候选而受到国内外研究学者强烈关注。本项目以新型Co-X (X: Al, V)基多元合金中关键γ'相为研究对象，首先利用第一性原理方法，拟系统地研究合金元素对γ'相的结构稳定性、热力学性质和高温力学性能的影响；基于电子结构分析，阐明合金化影响Co基合金中关键γ'相的结构稳定性和宏观性能的微观机理，揭示合金化影响的规律。然后结合相平衡信息，筛选部分有利于γ'相稳定化的合金元素Y，实验测定和计算优化Co-X-Y合金相图，完善Co基多元合金的热力学数据库。综合第一性原理和相平衡信息，本研究的最终目的是初步建立Co基合金综合设计系统，并提出一种筛选和设计合金成分、合适的相组成关系及组织形态的多元合金的新途径，以望指导获得综合性能优异的γ'析出强化型Co基高温合金的新体系。

新型γ'析出强化型Co基合金不仅继承了Co合金的优异环境抗力，同时也具备了γ/γ'析出强化型合金力学性能优点，被认为是下一代高温材料的理想候选，而受到国内外研究学者强烈关注。本项目以Co-X (X: Al, V)基多元合金中关键γ'相为研究对象，结合基于密度泛函理论的第一性原理计算方法、CALPHAD相图优化方法以及实验表征手段，首次研究了新型Co基高温合金的成分设计与实验制备表征技术等相关科学问题。针对Co基合金的成分筛选问题，首先基于第一性原理计算方法，提出了原子择优占位的热力学判定准则，并应用于Co3Al、Co3V、Co3Ta二元体系，筛选出有利于相结构稳定和提高力学性能的部分合金元素；在此基础上，利用SQSs方法建立多元合金结构模型，进一步研究了Co3(Al, W)、Co3 (Al, X)、Co3(V, X)、Co3(Ta, X)多个多元体系的相结构稳定和力学性质，最终有效筛选并确定了部分合金元素。利用合金法实验技术与CALPHAD相图优化方法测定了部分Co3(V, X)体系等温截面相图，并快速发现了具有γ'析出相的Co-Ti-V和Co-V-Ta三元体系。利用实验表征技术，测定了γ'析出相的固溶温度、合金熔化温度以及合金的屈服强度曲线，得到了力学性能较2006年Co-Al-W合金更优异的析出强化型Co基高温合金体系。.项目研究形成一套高温合金相结构稳定性的判定准则，基于多种理论计算方法，获得了一套较为可靠的Co基多元合金的物性、力学性能等数据信息，并掌握了合金化影响Co基多元合金的规律和机理，初步建立了Co基合金综合设计系统，并提出实验上设计和筛选具有合适合金成分、相组成关系及组织形态的多元合金的途径。本项目涉及的从微观尺度计算本征性质，并用于有效筛选合金成分，最终结合实验完成新型合金的设计与表征工作的研究思路、实施方案以及模型方法，不仅可以指导并获得综合性能优异的γ'析出强化型Co基高温合金的新体系，而且这一方法可推广至其他金属合金体系，如Ni合金、Al合金、Fe合金等体系的成分设计与实验制备表征中。本项目将为新型合金体系的设计与实验制备开发提供新的设计思想。