高熵超合金超温处理与γ'相形成及高温力学性能的相关性

The high-entropy superalloy has high thermal strength, creep resistance and hot corrosion resistance. It can be directly solidified to obtain ideal high temperature microstructure of FCC-γ/L12-γ' without harmful phase such as TCP. It is expected to become the new high temperature structural materials for the hot end assembly of aero-engine and ground gas turbine. However, multi-principal elements, high lattice distortion and atomic diffusion hysteresis lead to complex changes for melt clusters structure of high-entropy superalloy, and the formation of γ' phase and the γ/γ' structure are difficult to control. Based on the thermodynamic principle of phase diagram and the model of atomic cluster structure, the system of Co-Cr-Fe-Ni-X-Y high-entropy superalloy with γ/γ' type are designed in this paper. The Bridgman rapid directional solidification technology is adopted. When the drawing rate and temperature gradient is unchanged, the change of atomic clusters structure under different melt superheating treatment processes, the γ/γ'phase equilibrium and lattice mismatch degree regulation, the precipitation mechanism of cubic morphology γ' phase and its correlation with high temperature mechanical properties are all researched. Finally, the intrinsic relationship of melt superheating treatment (different composition)-microstructure regulation-high temperature mechanical performance is established, which provides important theoretical basis and technical support for the preparation of structurally stable high-entropy superalloys and design of new superalloys.

高熵超合金具有高的热强性、抗蠕变及抗热腐蚀等性能，可直接凝固得到没有TCP等有害相的FCC-γ/L12-γ'高温理想组织，有望成为航空发动机和地面燃气轮机热端部件用新型高温结构材料。然而，多主元、高晶格畸变及原子扩散迟滞导致高熵超合金熔体团簇结构变化复杂，γ'相形成及γ/γ'组织难以调控。本项基于相图热力学原理和原子团簇结构模型设计出γ/γ'型的Co-Cr-Fe-Ni-X-Y体系高熵超合金，采用Bridgman快速定向凝固技术，在抽拉速率和温度梯度不变前提下，重点研究不同超温处理工艺下熔体团簇结构变化规律、γ/γ'相平衡与晶格错配度调控、立方形态γ'相共格析出机制及与高温力学性能相关性。最终建立超温处理（不同成分体系）-组织调控-高温力学性能之间的内在联系，为制备结构稳定的高熵超合金及设计新型高温合金提供重要理论基础和技术支持。

随着高推重比、先进涡桨（轴）发动机、大涵道比涡扇发动机及超大容量重型燃气轮机的发展，开发更优高温性能的超合金变得尤为重要。本项目利用团簇结构模型与相图热力学计算进行成分设计和优化，得到可直接凝固的高熵超合金，采用Bridgman（HRS）定向凝固技术，对不同超温处理工艺的熔体团簇结构进行精确调控，阐明高熵超合金熔体超温处理与析出相的尺寸、形状、体积分数以及错配度的关联，建立高熵超合金的高温性能与超温处理后凝固组织的相关性。主要研究结论如下：.通过模拟计算发现了Al-Co-Fe-Ni 系共晶高熵合金凝固过程中Al对凝固过程的影响，Al的减少或增加会使共晶组织转变为亚共晶或过共晶组织。其中，Al0.85CoFeNi2.05亚共晶高熵合金的凝固组织为L12初生+(L12+B2)共晶，屈服强度和抗拉强度分别为450MPa和1030MPa，塑性为29%，L12初生相的维氏硬度为274HV，其断口形貌为撕裂棱。Al1.05CoFeNi2.05过共晶高熵合金的凝固组织为B2初生+(L12+B2)共晶，屈服和抗拉强度分别为708.09MPa和1237.57MPa，塑性为14.03%，B2初生相的维氏硬度为537HV，其断口形貌为解理台阶。无论在何种抽拉速度下，定向凝固超温处理后所获得超合金组织机械性能都高于铸态高熵合金。Al0.95CoFeNi2.05 共晶高熵合金的固液界面形态随着抽拉速度的增加而改变，其过程为：平界面→胞状界面→树枝状界面。30μm/s 时为平-胞转变临界速度 Vc，低于 Vc 时由于平固液界面状态形成规则层片状共晶组织，并且共晶层片的转变过程为：zigzag 失稳+层片→少量棒状+层片→完全片层状，片层厚度与抽拉速度保持：λ=15.90V-0.41，共晶两相的位向关系为：[-112]FCC//[-113]BCC，(111)FCC//(110)BCC。200μm/s 时的固液界面形态为树枝状形貌，凝固所得组织为不规则共晶层片(共晶轴+两侧倾斜层片)。.本项目的实施为新型高性能高温结构材料的设计奠定基础，不仅能够推进高熵合金的高温力学理论基础研究，也为高温高熵超合金工程应用提供技术支持。