[发明专利]一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法

说明书

技术领域：

本发明涉及合金成分对镍基合金中TCP相形成元素在γ和γ'相界面处分配行为的影响领域，基于第一性原理的计算方法。

背景技术：

镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的关键材料。在合金中添加W、Re、Cr、Mo等难熔元素能明显起到强化作用。但是，难熔元素大量偏聚在基体γ相中会导致析出TCP相。TCP相作为脆性相，严重影响了合金的塑性韧性以及使用寿命。

实验表明，Ru、Co等一些其他合金化元素可以改变TCP相形成元素在合金中的分配，使它们更多分布在γ'相中，从而有效抑制TCP不稳定相的形成。到目前为止，对合金元素分配行为的研究集中在实验上，主要是直接测量元素在两相中的分配，但是镍基高温合金中存在大量的γ/γ'相界，难熔元素在相界面上及其附近的分布和强化作用还很难从实验中获得。有研究者利用计算机模拟，通过将一个Ru原子掺杂在界面上，研究Ru对TCP相形成元素分配行为的影响，但没有综合考虑掺杂原子的含量，排列紧密程度，以及不同掺杂原子的协同影响。

发明内容：

鉴于现有技术存在的局限性，本发明提供一种表征方法，研究合金成分Ru，Co等对TCP相形成元素在界面附近分配行为的影响。涉及合金种类、含量、排列紧密程度，以及不同原子的协同影响。本发明采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，建立三维超晶胞界面模型，用Ru、Co等合金元素替换界面处的Ni和Al原子，改变替换原子的数量，排列紧密程度从而综合考虑合金元素的影响。用不同种类的合金元素同时替换界面处原子，研究合金元素之间可能存在的协同作用。

一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法，所述表征方法有如下步骤：

步骤一，建立2×2×3超晶胞模型，上面一半区域为Ni₃Al晶体结构，下面一半区域为Ni单质晶体结构，分别代表了理想的增强相γ'和基体相γ。由于两相的晶格常数接近，所以可以设定γ'相沿特有的取向关系从γ相中析出形成完整的共格界面。

步骤二，将γ'相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，代表TCP相形成元素分布在γ'相中；然后将γ相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，此时γ'相中恢复为Ni原子，代表TCP相形成元素分布在γ相中；分别计算这两种情况下的形成能。

步骤三，计算没有别的合金元素掺杂的情况下，W、Re、Cr和Mo在γ相和γ'相之间的分配系数。

根据统计热力学基本观点，在给定的温度T下晶体点缺陷的平衡浓度符合Arrhenius关系：C_d＝A exp(-E_f/kT)，其中E_f是点缺陷的形成能，A是与材料有关的常数，k为玻尔兹曼常数。可知点缺陷形成能越大平衡浓度越低。基于此定义元素在两相中的的分配系数为：K^γ/γ’＝C_d-γ/C_d-γ’＝exp[(E_fγ’-E_fγ)/kT]。其中C_d-γ为元素在γ相中的平衡浓度，而C_d-γ’是在γ'中的平衡浓度。E_fγ’是元素替换γ'相中Ni原子的形成能，而E_fγ则是替换γ相中Ni原子的形成能。

基于以上定义的分配系数，当K^γ/γ’＞1时，说明元素趋向于分配到γ相中；当K^γ/γ’＜1时，说明元素首先选择进入γ'相。

步骤四，用一种可能影响TCP相形成元素分配的合金原子替代共格界面体系界面处的Ni或Al原子，重复二、三步骤，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；与掺杂前的元素分配系数进行对比，研究这种元素是否影响TCP相形成元素的分布；改变替换合金原子的个数，计算形成能和分配系数，研究合金原子的浓度对元素分配行为的影响；形成能越低，体系越容易形成。分配系数变小，则TCP相形成元素与之前相比更容易分配到γ'相中，若分配系数小于1，说明元素趋向于分配到γ'相中。

步骤五，改变可能影响TCP相形成元素分配行为的合金原子在界面上的排布的紧密程度，重新计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；研究合金原子排布的松散和紧密对分配行为产生的影响；如果合金原子排布紧密时，分配系数更小，则说明在界面处排布紧密的合金原子对TCP形成元素向γ'相中转移的作用更明显，反之则排布松散的合金原子作用更显著。