Cu-Ni合金添加第三组元极限固溶态的团簇模型及其性能研究

许多工程材料是单相固溶体合金，为了改善性能需要实施多元合金化，因此多元固溶体的极限固溶度对设计和优化合金成分具有重要理论和实用意义，而固溶体的极限固溶态目前尚无定量的理论结构模型。本申请采用源自非晶合金的团簇模型，针对具有重要实用价值的Cu-Ni工业合金，建立添加第三组元元素Fe、Mn、Cr等的理想极限固溶结构模型，定量地描述元素之间的比例关系，设计和制备出系列合金成分，精确控制制备工艺，测试合金的结构和性能数据，验证模型并提出优化的合金成分。本工作的意义在于一方面发展了极限固溶体结构模型，提出了全新的研究思路；另一方面，有可能获得具有实用价值的材料成分，修正现有牌号的成分区间，为工业界提供理论指导。

许多工程材料都是单相固溶体合金，为改善合金性能，通常进行多元合金化，故合金化溶质元素在基体中的极限固溶能力是决定合金组织和性能的关键。本项目工作主要围绕溶质元素在基体中的固溶度问题来展开，利用我们自创的“团簇+连接原子”结构模型理解微量合金化元素在固溶体合金中的极限固溶度，从而给出了各合金化元素之间的比例关系和成分含量。所涉及的合金体系主要包括Cu基白铜合金、Monel Ni-Cu合金以及含Cu的Fe基不锈钢，最终建立了团簇结构模型-->合金组织结构-->合金的宏观性能的关系，即合金微观结构决定宏观性能。主要研究成果主要体现在：第一，根据团簇结构模型在FCC和BCC以及无序结构中的堆垛，建立了溶质原子在基体的排布，以此确立了溶质元素的成分含量；其次，解决了不溶于基体的溶质元素在基体中的微量固溶问题，即不溶元素借助第三方可溶元素进入基体中，通过与第三方元素形成团簇，以团簇的形式分布在基体中，同时团簇的比例形式就是这两个溶质元素的最佳比例；实验结果表明根据此方法设计的不同体系中成分合金都具有最佳的性能，如不溶元素Fe在Cu合金中借助与第三方Ni，以[FeNi12]团簇形式进入到Cu基体中，同时[FeNi12]团簇的比例防止了第二相的析出，从而实现了合金性能的最优化。最后，团簇结构模型也给出了少量但非微量合金化元素的添加含量(>3at.%)，在更多合金化元素添加的情况下，可在此团簇成分式基础上体现微量合金化元素的添加，由此我们获得了一系列多元高性能不锈钢合金成分。另外，我们对其它合金体系也进行了探索，研究表明团簇结构模型具有普适性。本工作的意义在于一方面发展了极限固溶体结构模型，提出了全新的研究思路；另一方面，获得了具有实用价值的合金成分，为工业界提供理论指导。