孫元舟 劉 微 魯曉剛,

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 2.上海大學(xué) 材料基因組工程研究院,上海 200444)

Co基高溫合金在高溫應(yīng)用中具有重要價(jià)值[1],而Co-Cr-Re三元體系在開發(fā)Co基高溫合金中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該類合金的微觀結(jié)構(gòu)演化在很大程度上取決于擴(kuò)散,因此擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)是研究并優(yōu)化其高溫性能的有效方法。了解多組分合金的體擴(kuò)散過程在凝固、蠕變、均勻化、沉淀、再結(jié)晶和沉淀等中的應(yīng)用很有必要[2-4]。擴(kuò)散在多組分合金設(shè)計(jì)中的應(yīng)用引起了人們的廣泛興趣。計(jì)算機(jī)模擬能夠觀察復(fù)雜材料的組織演變過程。擴(kuò)散控制相變(DIffusion Controlled TRAnsformation, DICTRA)[5]是一種基于擴(kuò)散界面和局部平衡假設(shè)、模擬多組分系統(tǒng)中擴(kuò)散控制相變的軟件。DICTRA軟件已成功地利用原子移動(dòng)性參數(shù)數(shù)據(jù)庫來模擬各種相變過程。但目前基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)框架的相關(guān)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)描述在文獻(xiàn)和商業(yè)數(shù)據(jù)庫中仍然缺失,有關(guān)Co-Cr-Re體系FCC相的互擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)也十分匱乏。

本文制備了8對(duì)Co-Cr-Re體系FCC相的擴(kuò)散偶樣品,通過電子探針測(cè)定其成分-距離曲線和擴(kuò)散通道,利用Whittle-Green方法獲得互擴(kuò)散系數(shù),結(jié)合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫與擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)估優(yōu)化得到Co-Cr-Re體系FCC相的原子移動(dòng)性參數(shù)。

1 文獻(xiàn)調(diào)研

1.1 Co-Cr體系

Weeton[6]、Davin等[7]、Green等[8]通過試驗(yàn)測(cè)得了Co-Cr體系的互擴(kuò)散系數(shù)。Zhang[9]和Campbell等[10]評(píng)估了Cr在FCC-Co中的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。與Campbell等[10]的結(jié)果相比,Zhang[9]的計(jì)算結(jié)果更好地再現(xiàn)了Weeton[6]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外,Zhao等[11]對(duì)Co-Cr體系進(jìn)行了全面的評(píng)估和優(yōu)化,并制備了3個(gè)溫度下的3對(duì)擴(kuò)散偶,以測(cè)定互擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 Co-Re體系

Naghavi等[12]利用第一性原理計(jì)算了FCC-Co中Re的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。Shang等[13]通過第一性原理計(jì)算了FCC-Re的自擴(kuò)散系數(shù)。2016年,Neumeier等[14]利用擴(kuò)散偶測(cè)得了Co-Re二元體系在1 373、1 473和1 573 K的互擴(kuò)散系數(shù)。2019年,Liu等[15]基于Neumeier等[14]的互擴(kuò)散系數(shù),對(duì)Co-Re二元系進(jìn)行評(píng)估,并給出了其原子移動(dòng)性參數(shù)。2020年,史中文[16]基于Neumeier等[14]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Co-Re二元系進(jìn)行了優(yōu)化。2021年,李慧明[17]制備了兩組擴(kuò)散偶,研究了其1 373與1 473 K的擴(kuò)散行為,測(cè)量并優(yōu)化了Co-Re體系的互擴(kuò)散系數(shù)。

1.3 Cr-Re體系

Cr-Re體系不存在FCC相,所以沒有相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 Co-Cr-Re體系

目前對(duì)Co-Cr-Re體系的FCC相擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的研究還未見報(bào)道。

2 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)建模

(1)

(2)

(3)

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用原料為純Re(純度為99.99%)、純Co(99.999%)和純Cr(99.99%)顆粒,通過WK-II型非自耗型真空熔煉爐在氬氣氣氛中進(jìn)行電弧熔煉。為確保樣品成分的均勻性,每個(gè)樣品都翻轉(zhuǎn)熔煉5次,隨后用電火花線切割將熔煉好的紐扣錠切成4 mm×4 mm×4 mm的塊體。用超聲波清洗樣品后打磨拋光其表面,以去除表面油污和金屬粉末,然后密封在充滿高純度氬氣的石英管中,置于高溫爐中在1 473 K均勻化退火3 d,隨后水淬,進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光。將樣品按擴(kuò)散偶成分進(jìn)行兩兩組合,用夾具將一對(duì)樣品固定并夾緊,按照上述步驟再次封入氬氣保護(hù)的石英管中,分別在1 373和1 473 K擴(kuò)散退火21和11 d,隨后水淬,進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光。最后利用電子探針X射線顯微分析儀(electron probe X-ray microanalyser,EPMA)進(jìn)行定量分析,測(cè)定有效擴(kuò)散區(qū)域的成分變化。

Co-Cr-Re體系擴(kuò)散偶成分及試驗(yàn)條件如表1所示。在擴(kuò)散偶界面處選取長(zhǎng)2倍于擴(kuò)散距離并垂直于界面的線,使用EPMA等距打點(diǎn)40～60個(gè),如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring points

表1 Co-Cr-Re體系擴(kuò)散偶成分及試驗(yàn)條件匯總Table 1 Summary of compositions of diffusion couples and experimental conditions of the Co-Cr-Re systems

4 結(jié)果與討論

表2 試驗(yàn)測(cè)得的Co-Cr-Re體系FCC相的互擴(kuò)散系數(shù)Table 2 Interdiffusion coefficients of FCC phase of Co-Cr-Re systems measured in the experiment

在優(yōu)化Co-Cr-Re三元系FCC相的三元原子移動(dòng)性參數(shù)之前,需先確定其Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系的原子移動(dòng)性參數(shù)。

圖2 本文計(jì)算得到的主擴(kuò)散系數(shù)與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.2 Calculated main diffusion coefficients compared with experimental data in this work

表3 本文評(píng)估的Co-Cr-Re三元系FCC相的原子移動(dòng)性參數(shù)Table 3 Atomic mobility parameters for FCC phase of Co-Cr-Re alloys evaluated in this paper

圖3是本文計(jì)算得到的Co-Cr-Re三元體系的成分-距離曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比?？梢娪?jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文評(píng)估得到的原子移動(dòng)性參數(shù)的可靠性。從圖3還可以發(fā)現(xiàn),1 473 K溫度下的成分-距離曲線的擬合度優(yōu)于1 373 K溫度下的。此外,在相同擴(kuò)散溫度和時(shí)間下,Re元素的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)小于Cr元素的擴(kuò)散距離。圖4為本文計(jì)算的1 473 和1 373 K等溫截面上的擴(kuò)散通道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比?？梢娪捎赗e元素?cái)U(kuò)散較慢,在擴(kuò)散通道的部分位置上Re成分保持不變。

圖3 擴(kuò)散偶成分-距離曲線的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.3 Comparison between calculated composition-versus-distance curves of diffusion couples and experimental data

圖4 本文計(jì)算得到的擴(kuò)散通道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.4 Calculated diffusion paths compared with the experimental data in this work

5 結(jié)論

在調(diào)研并確定Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系原子移動(dòng)性參數(shù)之后,結(jié)合已有熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,本文制備了8對(duì)三元系Co-Cr-Re擴(kuò)散偶,測(cè)定了該體系中FCC相的成分-距離曲線,利用Whittle-Green方法獲得互擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),優(yōu)化得到了可靠的原子移動(dòng)性參數(shù),豐富了Co基高溫合金的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫。計(jì)算得到的Co-Cr-Re三元體系FCC相中的互擴(kuò)散系數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好,且模擬得到的擴(kuò)散行為與試驗(yàn)情況基本一致。