团簇式嵌入的Ni基高温合金成分设计方法研究
γ''-Ni3Al共格纳米粒子强化的Ni基高温合金是航空航天、石油化工等领域的重要工程结构材料。其承温能力的提升对于发动机工作效率的提高至关重要。另一方面，对重要参数例如十多种合金元素之间复杂的相互作用、微观组织稳定性、抗氧化和热腐蚀能力、成本等的考量，大大阻碍了高温合金成分的优化或者设计研发进展。同时，在国际上已经有完整成熟的成分设计方法的前提下，发展中国自己的成分设计方法，缩短Ni基高温合金的研发周期，降低成本显得尤为重要。因此，本研究的出发点是从原子层次出发，实现“成分-组织-性能”的关联，建立完整的γ''-Ni3Al共格强化的Ni基高温合金设计方法。具体内容包括以下4个方面： （1）基于团簇结构模型，通过对团簇和团簇之间有序性的研究，给出了理想FCC结构浓固溶体的超团簇堆垛模型。发现理想的团簇在Friedid振荡势能函数的作用下，以类BCC结构进行堆垛，团簇成分式中团簇中心原子:壳层原子:连接原子之间的数目比为1∶12∶3，总体团簇结构模型的原子数目为16，即Ni基高温合金的理想团簇成分式为[Al-Ni12](Al,Cr)3，其中合金元素分为Al、Cr和Ni三类。 （2）以团簇成分式的形式解析了TMS系列Ni基单晶高温合金的成分，结果发现随着合金从第一代至第六代的发展，成分式的总原子数目Z从Z~17至Z~15.5，最后到Z~16，对应第六代合金显著的抗蠕变能力。PWA系列和CMSX系列合金同样表现出了相同的趋势。Ni基高温合金的理想团簇成分式Z值为16，在理论和实验数据上得到了证实。 （3）收集了Ni基高温合金微观组织参数（γ''粒子尺寸、γ''体积百分数和γ/γ''晶格错配度（δ））和蠕变寿命（tr），研究发现具有优异抗蠕变性能的TMS系列高温合金通常表现出合适的错配度，以使得立方的γ''纳米粒子通过沉淀强化获得最大的强度增量。同时，建立了不同蠕变测试条件下（900℃/392MPa和1100℃/137MPa），晶格错配度lg(|δ|3/2)和蠕变寿命lg(tr)之间的线性关系。 （4）综合以上关于Ni基高温合金团簇成分式、γ''形态、错配度、蠕变寿命的研究结果，建立了Ni基高温合金的特征参数嵌入的机器学习模型，其对于未知合金蠕变性能的预测精度R2和RMSE分别为93.4%和28.6h，表现出了优异的预测性能。进一步通过引入理想团簇成分式嵌入的遗传算法，建立了一种以蠕变寿命为目标函数的Ni基高温合金成分设计方法。该方法实现了根据成分空间、成本、性能目标逆向寻优，输出符合Ni基高温理想团簇成分式的成分。
镍基高温合金;成分设计;团簇式嵌入;微观组织;蠕变性能
大连理工大学
硕士
材料物理与化学
董闯
2021
中文
TF123.71
2021-12-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）