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1.4 本文研究内容 7
2 相场模型的建立 6
3 不同扩散系数下Ni-Al合金沉淀过程研究 12
3.1 不同扩散系数下Ni-Al合金微观结构研究 12
3.2 不同扩散系数下Ni-Al合金 相平均半径演变 14
3.3 粗化动力学 16
3.4 成分分布 17
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
镍基高温合金有优异的韧性、高温强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，而广泛应用于航空航天等领域，其使用温度一般在650-1100℃范围之内[1]。因此，目前被用作工业燃气涡轮叶片和先进航空发动机等热端承载部件的主要用材。在发动机使用的材料当中，镍基高温合金含量超过总重量的一半。镍基体 相为无序相，具有fcc结构，而镍基高温合金的主要强化相为Ni3X型( )沉淀相。具有 Ll2型晶体结构的Ni3Al由负电性相对较强的Ni元素和正电性相对较强的Al元素组成，它是一种长程有序的金属间化合物，Ni原子占据面心位置而铝原子占据顶点位置。能在极其接近其熔点时依旧保持高度有序[2-4]。在镍基合金时效过程中，在 基体无序相中沉淀析出 有序沉淀相，并且能够与母相保持共格，从而有效阻碍位错运动。镍基合金沉淀相的大小、浓度、形态影响着合金的强化程度。因此， 相的微观结构以及粗化行为的研究对提高Ni基高温合金性能非常重要。由于影响合金微观结构形成的因素非常多，因此控制微观结构变得困难和复杂。需要大量的重复的实验得到材料的最佳的微观结构。因此通过实验之前计算机模拟不同条件下材料的微观结构组织，探明不同因素对材料微观结构组织的影响规律，从而减少实验的重复次数，节约经费和时间。相场方法是一种模拟和预测材料微观结构演变的非常有效的工具。它考虑到外部应力、弹性各向异性以及沉淀相的有序化等多种因素，这些优势使我们能研究Ni基高温合金中 相的沉淀过程以及各种因素对沉淀过程的影响规律更加方便。因此，相场模型可作为一种有效手段来模拟Ni-Al合金 相沉淀过程的微观组织演变，从而为材料微观结构的预测和设计提供理论依据。
1.1 沉淀相形貌
合金中存在不同形状的单个沉淀相和不同形貌的沉淀相显微组织。现在已经通过观察不同合金系的实验结果，观察到斑纹状结构，随机分布的球形颗粒以及沿三个<l00>方向延伸的调制结构等沉淀相形貌。Chan和Hiiliard预言[5]根据最小共格应变能的要求，弹性各向异性立方基体失稳分解可以形成调制结构，而在可忽略弹性能或弹性各向同性的情况下，失稳分解形成斑纹状形貌沉淀相。随着对更多实验和模拟结果的分析，人们趋于接受具有互联或准周期形貌结构的合金都是失稳分解合金。但，高浓度合金其新相集团间距小，数目密度大，后期形成的显微组织互联性或准周期性存在由其他分解机制所致的可能。如弹性择优取向颗粒的选择性粗化、邻近颗粒的合并等。因此仅通过形貌特征来区分沉淀机制是不全面的，必须系统全面的研究新相随时间的演化。
本质上讲，界面自由能△Fα/β和弹性自由能△Fel的竞争决定沉淀相的形状，△Fα/β在颗粒为球形或小面形状时最小，而△Fel还决定于颗粒大小，通常趋向取板状形貌。因此决定相分离早期的是△Fα/β，在后期△Fel是主要影响因素。可以由此解释为什么在沉淀相粗化过程中常观测到由球状到板片状形貌演化以及轴比变化的旋转椭球演化现象[6]。