三维集成模型!深入揭示镍基高温合金强化竞争与协同的关系

亮点

提出了在三维空间中合金时效过程、微观结构和强度之间定量关系的统一模型,其中集成了冷却速率有关的成分和沉淀粒度。该模型预测结果的偏差远低于现有模型,同时揭示了固溶强化与沉淀强化的竞争与协同关系。该模型为在三维空间中设计性能优异的先进合金提供了重要的理论指导。

镍基高温合金由于其优异的高温性能,在热端部件中得到了广泛的应用。其优异的高温性能主要来源于受析出物独特的微观结构控制的固溶强化和析出强化。析出相的微观结构参数取决于特殊的热处理条件,因此普遍认为冷却速率对镍基高温合金的组织演变和力学性能至关重要。

过去已有广泛报道阐明冷却速率和沉淀形态之间的关系,证明冷却速率较高时,纳米级析出物的尺寸呈单峰分布。而较低的冷却速率会促进析出相的元素迁移,从而导致析出物尺寸偏大,呈双峰和不规则立方状分布。通过热力学计算发现,不同冷却速率下析出物的成分变化是动力学因素关键,因此在经典-形核理论和扩散-生长理论的基础上,建立了一个计算连续冷却过程中析出相数量密度和尺寸变化的快速模型。此外,还开发了其他物理模型,致力于修正固溶强化和沉淀强化的经典理论,并试图延伸到新材料上。然而,固溶强化和沉淀强化在热处理过程中的竞争和协同机制鲜有报道,这为高强度合金的设计和工业应用带来了巨大挑战。

热等静压(HIP)作为一种有潜力的先进粉末冶金(PM)技术,在以往的基础研究中得到了广泛的探索,以获得优异的力学性能。该技术可以直接从疏松的金属粉末中快速制备出致密且具有优良微观结构和力学性能的复杂部件,被认为是有效的SLM后处理方式。

近日,湖南大学李甲课题组联合中南大学、美国田纳西大学研究团开发了统一的模型,用于在3D空间中建立合金时效过程、微观结构和屈服强度之间的定量关系。研究成果以题为“Modeling the competition between solid solution and precipitate strengthening of alloys in a 3D space” 发表于《International Journal of Plasticity》。该模型聚集了时效温度、冷却时间和基体成分3个独立变量,控制着析出相的尺寸、体积分数和反相界(APB)能。

根据试验数据,首次确定了析出相的尺寸和体积分数随着冷却速率的增加的变化。基于实际沉淀物的空间和统计分布,提出了沉淀物强化模型。考虑到基体的组成变化,开发了固溶强化。通过结合沉淀强化和固溶强化,建立了屈服强度模型,并通过将沉淀物的温度及时间依赖性尺寸和体积分数整合到强度模型中,开发了热处理过程后的屈服强度模型。

结果表明,在三维空间中存在固溶体和沉淀硬化的竞争和协同关系。可以预测时效过程后析出相的尺寸和体积分数以及基体的成分,并将其集成到物理模型中以获得合金的屈服强度。平均屈服强度偏差为4%,远低于现有强度模型的15%,显著缩短了开发周期。

随着冷却速率的增加,析出相的尺寸和体积分数减小,导致析出相强化先增大后减小,同时固溶体强化的单调增加。由于APB能量和基体成分的明显变化,临界冷却速率在竞争与合作之间进行了协调,166 ℃/min时出现最大屈服强度。

综上,该模型达到了96%的整体预测精度,填补了热处理工艺和力学性能之间定量关系的长期空白。揭示了冷却过程中固溶强化和沉淀强化对屈服强度贡献的竞争机制。结果证明了冷却速率会显著影响基体成分和沉淀,从而控制了决定最大屈服强度的APB能量。该结果不仅深入了解了析出相的演化过程,定量预测了析出相的特征,而且为在三维空间中调节热处理工艺设计高性能合金提供了理论指导。

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编译:《特种铸造及有色合金》杂志社-彭瑾

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