高温合金材料设计与制备的基础研究

项目名称：高温合金材料设计与制备的基础研究首席科学家：孙晓峰中国科学院金属研究所起止年限：2010年1月-2014年8月

依托部门：中国科学院

一、研究内容

1. 拟解决的关键科学问题

高温合金中通常含有十几种强化元素，合金化程度较高，强化机理复杂，有的强化元素之间还存在较强的交互作用，认识复杂体系中合金化元素的作用机制是高温合金成分优化和发展先进合金的理论基础，但迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚。高温合金中的纯净化冶炼及凝固缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节，但我国的冶炼水平与欧美等发达国家存在较大差距，对于凝固缺陷的形成机理尚不明确，实际工程中仍然靠经验和反复试制来解决问题，此外，在前期工作中发现现有凝固理论中的枝晶生长机制尚不完善，有待于进一步研究。在热加工方面，粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径，然而，对于热加工过程中的塑性变形动力学、原始颗粒边界和夹杂物等缺陷的形成机理和控制方法等方面仍缺乏系统的理论研究工作。抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障，但由于高温防护涂层服役环境的特殊性与防护涂层的多界面特性，使得抗高温腐蚀涂层的防护机理以及陶瓷涂层与金属涂层界面的相容性等科学问题尚没有得到有效的解决。为了保证发动机的安全可靠性，高温合金材料的性能评价方法和基础数据测试是发动机设计选材的重要依据，国内在高温结构材料的使用性能表征方法以及在服役环境下的损伤特征和寿命预测方面开展了一些研究工作，但还没有形成系统的理论体系。针对上述高温合金设计与制备中存在的问题，本项目拟解决的关键科学问题如下：

（1）复杂多元先进高温合金成分设计及强韧化机理

溶质原子Co、W、Mo、Re、Ru等及微量元素C、B、Hf等在先进单晶高温合金中的原子占位、偏聚与扩散行为；强化相的晶体结构、析出规律及稳定性对高温合金组织及性能的影响；热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学；溶质原子间的交互作用；多元强化合金的成分设计、高温度梯度定向凝固组织与性能调控。

（2）高温合金纯净化冶炼及凝固缺陷形成与控制

高温合金纯净化冶炼过程中杂质元素去除热力学和动力学，高温熔体中亚结构的表征及演化动力学；熔体结构及熔体热历史对凝固组织和缺陷的影响规律；多场耦合作用下胞状枝晶生长机制及凝固组织演变过程；多元复杂合金凝固过程动力学模型的建立、多场耦合求解及凝固组织演变“可视化”数值模拟；高温合金缺陷形成机理与控制基础理论。

（3）热加工过程中高温合金的组织演变及性能调控

高温合金塑性加工过程中的微观组织演变动力学及性能调控，高合金化难变形合金的热塑性变形机理；考虑第二相演变的组织预测模型；粗晶和混晶等典型组织缺陷的控制。原始粉末颗粒边界(PPB)的形成机理；粉末高温合金中夹杂物的演变规律；PPB和夹杂物导致粉末高温合金的失效模式。合金雾化过程中熔滴与雾化气体之间两相流流动的热量与动量传输规律；喷射成形沉积坯凝固组织及缺陷的形成和演变规律；电磁场作用下高温合金熔体流动和枝晶生长规律；电场对高温合金强化相溶解和析出的影响规律。

（4）高温合金的损伤机制及表面防护基础理论

高温合金长期组织稳定性以及长时服役条件下组织演变和性能变化规律；典型高温合金部件的损伤和失效模型；高温合金材料的寿命预测理论和方法。高温合金在服役环境中的氧化腐蚀机理；高温合金元素与金属防护涂层之间的热扩散与阻扩散机制；涂层界面成分、界面结构、界面热物性在服役条件下的自适应匹配与相容性；新一代长寿命“自适应型”超高温防护涂层材料设计。

2. 主要研究内容

通过对高温合金成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、塑性变形加工、粉末冶金、喷射成形、高温腐蚀与防护、损伤机理及寿命预测等问题开展研究工作，建立高温合金的成分设计――制备成形――组织控制――使役性能之间的关系，形成先进高温合金材料设计和制备加工的基础理论体系。

具体研究内容分为以下几个方面：

（1）单晶高温合金成分设计及强韧化机理

研究合金元素在高温合金中的分布、扩散规律及交互作用， 、碳化物、TCP 等析出相的形成和变化规律，晶界和相界几何结构、界面能与化学成分之间的关系；阐明700-1200o C高温下位错和第二相粒子与固溶强化原子或原子团簇的交互作用规律，从微观和介观尺度上揭示Re、Ru、W、Mo等合金元素强韧化的本质；研究高温合金微合金化的基本原理，确定复杂多元体系中合金元素的最佳匹配关系，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则。

（2）高温合金纯净化冶炼及凝固成形与缺陷控制

研究高温合金熔体杂质元素去除动力学和热力学理论及合金与坩埚、陶瓷等介质界面冶金化学与热力学行为，掌握熔体纯净度及高温熔体处理对定向凝固液/固界面行为和组织特征的影响规律；采用试验与模拟相结合，研究多场耦合作用下复杂多元合金凝固过程中各相形核、生长动力学和热力学及微观凝固组织演

变过程，探索凝固缺陷的形成机制并提出相应控制方法，为高温合金复杂构件凝固成形工艺设计与缺陷控制提供理论基础。

（3）高合金化高温合金塑性加工过程中的组织演变机理

建立基于组织演变物理过程的高温合金热塑性变形本构关系，对锻造粗晶、混晶、裂纹形成原理给出判断准则和定量描述模型；发展全过程、多尺度的变形行为描述方法和热-力-组织多场耦合计算机模拟预测方法，形成塑性变形过程中的微观组织演变控制理论，为高温合金锻坯、板材和管材制备，以及大型锻件的成形与组织和缺陷预测建立系统理论与方法；阐明高温合金γ + γ′双相组织超塑性变形机理，分析应变诱导相变与相变诱导塑性机制及其交互作用，为超塑性坯料制备提供理论基础。

（4）粉末冶金高温合金的组织演变和缺陷控制

研究粉末颗粒表面元素的种类、分布和状态，确定析出相的类型，分析原始粉末颗粒边界（PPB）和夹杂物的形成、分布、微观特征及演化规律；通过研究合金中强碳化物形成元素Ti、Nb、Zr和Hf及工艺过程对原始粉末颗粒边界周围析出相类型的影响，探索PPB的控制方法，从微观组织和断口上认清PPB的特征。研究PPB对合金的韧性、塑性以及强度的影响，以及夹杂物对合金低周疲劳性能的影响，采用数值模拟方法对PPB和夹杂物导致粉末高温合金失效的模式进行分析，最终获得具有高损伤容限性能的粉末高温合金。

（5）高温合金液态成形先进制备技术基础研究

研究金属熔滴飞行过程中两相流流动的热量和动量传输规律，分析氩气雾化高温合金粉末的粒度与组织特征，研究金属熔滴的形态和凝固机理；分析沉积坯的温度变化规律，确定喷射成形高温合金细晶组织的形成机理及缺陷的形成和控制机理，建立沉积坯生长过程的数学模型；研究快速凝固条件下高温合金的溶质扩散、固溶、偏聚和相析出特性，完善高温合金快速凝固基础理论；对电磁场中的合金熔体和凝固过程进行数值模拟，建立凝固过程中能量、动量和质量传递理论模型；研究电磁场对液/固界面、晶体形核和生长的影响以及溶质原子在外加电磁场中的扩散、迁移和偏析规律。

（6）高温合金的损伤机制、寿命预测及表面防护基础研究

研究高温合金组织稳定性和长时服役条件下组织演变和性能变化，建立高温合金材料的复合损伤模型，并提出基于高温合金损伤行为的逆向材料设计理论体系；通过研究高温合金在高温拉伸、蠕变、疲劳、热机械疲劳过程中微观组织变形机制以及合金失效形式，在现有方法和理论的基础上，建立和发展具有明确物理意义、便于工程应用的高温合金安全服役寿命预测方法与理论；研究多功能耦