《鎳基合金熱障塗層系統中的界面元素效應及合金最佳化》是依託中南大學，由江勇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鎳基合金熱障塗層系統中的界面元素效應及合金最佳化
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：江勇
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
先進航空發動機和地面(含海上)燃氣輪機用高溫熱障塗層系統，面臨日益苛刻的高可靠性和長壽命要求。本項目擬針對基體合金及其塗層關鍵界面，通過第一原理熱力學建模和自洽電荷密度能量泛函計算，（1）對若干常見合金元素和雜質的界面偏聚行為（含基體內相界和基體/熱生長層界面）開展研究，確定其對界面化學成鍵和界面強度的影響性質；（2）研究以合金化途徑實現對有害雜質釘扎的可能性，及其高溫有效性，闡明微觀釘扎的物理機理，豐富現有合金元素評估體系；（3）以微觀界面行為與效應為基礎，揭示此類複雜界面體系的化學環境-微觀結構-巨觀性能相關性。本項目研究，是申請人在美國多年計算研究工作基礎上的繼續和深入，研究內容對認識合金和雜質元素在實際服役工況條件下的作用性質和作用機理，最佳化現有合金組分，進一步提升航空發動機和燃氣輪機可靠性和使用壽命，具有重要指導意義。也為今後合金科學設計和材料界面科學，提供新的研究思路和研究案例
結題摘要
先進航空發動機和地面(含海上)燃氣輪機用高溫熱障塗層系統，面臨日益苛刻的高可靠性和長壽命要求。本項目針對鎳基合金及其塗層關鍵界面，通過第一原理熱力學建模和自洽電荷密度能量泛函計算，開展了（1）製備或服役熱力學環境與熱生長Ni(Al)/Al2O3層界面結構和性能的相關性研究，及相應的界面相圖計算；（2）典型的稀土元素（Y、Ce），近稀土元素（Zr、Hf），貴金屬元素（Pt）添加對雜質S釘扎、熱生長界面偏聚，及相應的界面元素效應進行定量評估；（3）合金基體中強化相界面（γ/γ’-Ni3Al）研究，包括界面結構、理想結合強度、雜質和合金元素的界面偏聚行為及其效應等問題。基於前三項研究，揭示了熱生長這一原位擇優氧化過程的熱力學本質，並提出了面向塗層界面的高溫合金最佳化設計策略，即（1）即便考慮強化相相界，熱生長界面仍然是塗層系統中最危險界面；（2）在鎳基合金基體中釘扎有害雜質S的能力：Ce＞Zr=~Y=~Hf＞Pt。（3）對結合強度較高的富Al型熱生長界面（熱力學平衡界面）的直接強化作用：Zr＞Y=~Hf＞Ce＞Pt。（4）對結合強度較低的化學計量比型熱生長界面（非熱力學平衡界面）的直接強化作用：Zr＞Y=~Hf＞Ce＞Pt。（5）最優方案是Zr和Ce的聯合添加。由於這些元素的添加量受限於其在鎳基基體中的有限固溶度，還可以考慮進一步添加Hf和Y，但合金成本也相應增加。研究結果在中南大學高溫合金研究所自主研發的CSU-B2型高溫鎳單晶合金中獲得了套用。 進一步地，我們將本項目中發展起來的第一性原理界面熱力學計算研究方法，與原子擴散動力學實驗和計算結合，成功推廣套用於氧化物彌散強化型合金的原位內氧化製備，包括微納米ODS銅和ODS銀合金工業電極和核反應堆用納米特徵高溫鐵素體合金（ODS鋼）的研究，並首次在界面層次上實現了對原位製備複合材料微結構和性能演變的基礎認識和定量預測。綜合以上研究，撰寫了綜述性文章，全面介紹和論述第一性原理計算研究金屬/氧化物界面問題的策略方法和套用實例。
