鎳基動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算多組分合金的成分分布曲線

眾所周知，擴(kuò)散是固體材料中的一個(gè)重要現(xiàn)象，是固相中唯一的物質(zhì)遷移方式，廣泛存在于材料的制備和使用過程中，如熱處理中的相變、動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶、焊接過程以及高溫蠕變等。采用CALPHAD方法、第一性原理計(jì)算及結(jié)合關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，精確高效地構(gòu)筑鎳基合金相圖熱力學(xué)與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，研究合金元素的擴(kuò)散行為對(duì)高溫下組織演變過程及力學(xué)性能的影響，已成為當(dāng)前鎳基高溫合金成分優(yōu)化、組織與性能調(diào)控的關(guān)鍵。Phase Lab最新上線了10元系鎳基合金擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，已成功實(shí)現(xiàn)合金成分-擴(kuò)散系數(shù)的定量化描述。

圖1.鎳基高溫合金動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫的鴻之微云使用界面

擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的核心理論建立在菲克第一定律和第二定律之上，這兩個(gè)定律分別描述了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的現(xiàn)象。它們的區(qū)別在于，在空間維度上，元素濃度是否隨時(shí)間發(fā)生變化。基于鎳基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，Phase Lab軟件最新開發(fā)單相擴(kuò)散求解器，能實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散元素成分在一維空間上分布曲線的定量化求解，為深入理解擴(kuò)散型相變機(jī)制以及微觀組織的調(diào)控提供有效指導(dǎo)。

鎳(Ni)、鋁(Al)、鈷(Co)和鉻(Cr)是鎳基高溫合金基體相和強(qiáng)化相的主要合金元素。深入理解并定量描述Ni-Al-Co-Cr合金元素在面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散行為，是探究合金微觀組織演變及第二相析出機(jī)制的基礎(chǔ)。借助Phase Lab軟件，并結(jié)合熱力學(xué)與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，能夠精確模擬不同擴(kuò)散偶的成分分布曲線(如圖2所示)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2. Ni-Al-Co-Cr四元擴(kuò)散偶成分分布曲線模擬，(a)和(b)擴(kuò)散偶退火溫度為1423K；(c)和(d)擴(kuò)散偶退火溫度為1473K；(e)和(f)擴(kuò)散偶退火溫度為1523K

鉬(Ｍo)和鎢(Ｗ)元素具有較大的擴(kuò)散激活能以及較低的擴(kuò)散遷移率，鈷(Co)的擴(kuò)散激活能及擴(kuò)散遷移率適中，鋁(Al)具有較低的擴(kuò)散激活能和較高的擴(kuò)散遷移率，四種元素的協(xié)同作用對(duì)合金的組織穩(wěn)定性有重要影響。圖3計(jì)算了Ni-Al-Co-W四元以及Ni-Al-Co-Mo-W五元系FCC單相擴(kuò)散偶的成分曲線。

圖3. Ni-Al-Co-Mo-W體系成分分布曲線模擬，(a)和(b)擴(kuò)散偶退火溫度為1373K；(c)和(d)擴(kuò)散偶退火溫度為1473K； 鎳基合金在高溫下的蠕變抗力與擴(kuò)散系數(shù)密切相關(guān)，特別對(duì)于多組分高溫合金的蠕變性能評(píng)估，可靠的熱力學(xué)與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫是必不可少的。圖4計(jì)算了Ni-Al-Co-Cr-Mo-Ta-Ti-W多元體系FCC單相擴(kuò)散偶在1553K條件下擴(kuò)散的成分分布曲線，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明當(dāng)前構(gòu)建的鎳基合金擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫是可靠的。

圖4. Ni-Al-Co-Cr-Mo-Ta-Ti-W體系成分分布曲線模擬

當(dāng)前，Phase Lab軟件單相擴(kuò)散求解器與成分曲線模擬功能處于內(nèi)測(cè)中，不日將上線鴻之微云~