鎳基單晶高溫合金的設計方案及生長條件研究

《鎳基單晶高溫合金的設計方案及生長條件研究》是依託復旦大學，由寧西京擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鎳基單晶高溫合金的設計方案及生長條件研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：寧西京

項目摘要

鎳基單晶高溫合金具有優異的高溫服役性能，是目前製造最先進燃氣輪機和航空發動機葉片的首選材料。我國在該領域的研發與已開發國家有巨大差距。如果能夠快速預測不同組分合金材料的結晶能力並準確預測其最佳生長條件，則有可能從根本上迅速改變我國在該技術領域的落後現狀。然而，這是長期以來在材料設計領域中懸而未決的問題。我們於近年提出的結晶勢模型，可以很好地預測材料的結晶能力。本項目擬在已有工作基礎上，研究鎳基單晶高溫合金材料的結晶能力並預測其最佳生長條件；同時改進已有的鎳基合金化學組分的d電子設計方法建立鎳基單晶高溫合金設計與製備的理論與技術基礎。

結題摘要

鎳基單晶高溫合金是目前最先進燃氣輪機（如艦艇及飛機發動機）葉片製造的首選材料。本項目圍繞這種材料的設計開展了如下工作: (A) 將普遍使用的二維d電子設計方法拓展為四維，即新加入了原子平均半徑和晶格錯配度，並套用於已有的合金系列，得到了與大量實驗測試一致的結果，在此基礎上具體設計出了幾種低成本高性能合金的化學組分；(B) 將之前我們提出的凝結勢（CP）模型推廣套用於多元合金形成單晶體的能力預測，並以Ni-Al合金為例，開展了相關實驗工作，觀測結果與理論預測一致吻合，表明凝結勢模型有望成為一種簡便易行的預測方法而被廣泛套用於篩選高溫合金的化學組分；（C）從理論上探討了金屬材料形成單晶體的最佳環境溫度，發現熔點溫度的0.6倍是最佳生長溫度，並以鎳基金屬為例從實驗上驗證了此結論。其他課題組在該結論指導下進行單晶生長的實驗表明，非金屬材料的最佳結晶溫度也是其熔點的0.6倍。這一普遍性對各種材料的單晶體生長有普遍指導意義；(D) 考慮到常規研發單晶高溫合金的實驗都採用常規冶煉方法生長單晶，不僅耗材量大，關鍵是實驗周期長，我們建立了脈衝雷射生長合金薄膜實驗系統，大大縮短了實驗周期。這一實驗方案對於工業研發新型鎳基單晶高溫合金有很大促進作用；(E) 工業生產中實際測試金屬材料的蠕變壽命需要數個月或幾年時間，嚴重阻礙了新材料的研發和使用。我們建立了一種能夠準確預測熱原子擴散速率的單原子統計模型，它比傳統的過渡態理論（TST）更簡單更準確，進而建立了蠕變速率關於應力和溫度的普適函式關係，並通過實際測量三種工業金屬材料的蠕變壽命以及與前人大量的測量數據比較，表明該函式關係比之前幾十年人們所使用的各種表達式都準確。因此，套用這一新的函式關係可使蠕變壽命的測試時間縮短三個數量級以上，對於加速開發鎳基單晶高溫合金具有重要促進作用；(F) 在新材料設計中，需要從理論上快速地，準確地預測擬開發材料的熔點和硬度。我們將之前我們提出的凝結勢模型成功拓展到預測材料的熔點和硬度。與已有理論比較，我們的模型不僅簡便易行（可在個人計算機上於電子層次的量子力學計算水平上實施），而且適應面更廣，特別是它能夠正確預測同一種晶體材料不同晶面熔點的微小差異（其他理論模型都做不到這一點）。