鎳基高溫合金中L10結(jié)構(gòu)有序度的研究

董衛(wèi)平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.151

摘 要：該文基于微觀相場模型，推導(dǎo)出L10結(jié)構(gòu)的長程序參數(shù)方程，并研究了L10結(jié)構(gòu)有序度變化。結(jié)果表明，L10結(jié)構(gòu)有序度先增大后減小，且L10結(jié)構(gòu)屬于過渡結(jié)構(gòu)，有序度較低，即L10結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有序度低時(shí)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的L12結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：相場法 L10結(jié)構(gòu) 鎳基高溫合金 有序度

中圖分類號(hào)：TG132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（b）-0151-02

鎳基高溫合金由于其高溫穩(wěn)定性、耐磨性及耐腐蝕性等特性，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此許多研究者對(duì)其性能、強(qiáng)化過程等進(jìn)行研究。在鎳基高溫合金研究中隨著溫度濃度不同，可以得到許多不同相，其中最受關(guān)注的是強(qiáng)化相γ-L12結(jié)構(gòu)，其實(shí)在得到穩(wěn)定的γ-L12結(jié)構(gòu)前，往往有L10過渡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。研究L10過渡結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)一步研究γ-L12結(jié)構(gòu)有非常重要的意義。微觀相場方程由于其尺度可以達(dá)到原子級(jí)，且可以動(dòng)態(tài)觀察不同結(jié)構(gòu)的沉淀變化過程，非常適合該文用于研究L10過渡結(jié)構(gòu)的有序度。

1 相場方程

微觀相場方程對(duì)于三元系統(tǒng)，占位幾率公式為，其中A、B和C表示3種不同合金元素。關(guān)于微觀相場法的更詳細(xì)的公式和過程，可以參考文獻(xiàn)。

2 結(jié)果及討論

L10結(jié)構(gòu)模擬得到的原子演化圖通過晶格位置Ni原子占位幾率反映合金的沉淀過程，晶格位置的亮度越高，Ni原子占位幾率越高；亮度越低，占位幾率越低。L10結(jié)構(gòu)有兩種取向：Type-I型和Type-II型，它們的晶體結(jié)構(gòu)沒有區(qū)別，只是取向不同，Type-I型沿著平行于面心立方結(jié)構(gòu)[100]方向旋轉(zhuǎn)90°即為Type-II型結(jié)構(gòu)。以下公式推導(dǎo)中，占位幾率都是指溶質(zhì)原子的占位幾率。

合金原子長程序參數(shù)ηM表達(dá)式為：

ηu（i，j） （1）

Pu（i，j）為原子在（i，j）晶格位置的占位幾率，當(dāng)η=1時(shí)為完全有序狀態(tài)，即u原子只占據(jù)有序結(jié)構(gòu)中兩種晶格位置其中一種；而η≠1時(shí)則u原子占兩種晶格位置；當(dāng)η=0時(shí)u原子處于無序狀態(tài)。用ηu（i，j）和cu（i，j）分別表示u原子（i，j）晶格位置的長程序參數(shù)和原子在晶格中的平均占位幾率（也是u原子的濃度），即表示有序度和原子簇聚程度。根據(jù)Khachaturyan的占位幾率PX（r）函數(shù)，消去cX，可以得出溶質(zhì)原子的長程序參數(shù)公式：

（2）

應(yīng)用上述公式對(duì)L10結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1，Ni75Al14Cr11合金溫度為923 K時(shí)沉淀過程中取1 000步長時(shí)演化圖及不同時(shí)間步長時(shí)L10結(jié)構(gòu)和L12結(jié)構(gòu)長程序參數(shù)變化曲線。從圖1（a）可以看出該鎳基高溫合金時(shí)效過程中已經(jīng)得到L10結(jié)構(gòu)，只是L10結(jié)構(gòu)有序度較低，可見L10結(jié)構(gòu)是模擬過程中過渡有序化階段的預(yù)析出相，從圖像的顏色可以看出，L10結(jié)構(gòu)中亮度較低，這就表示有序度較低，這也可以從圖1（b）中第三條原點(diǎn)曲線有序度只有0.5得到進(jìn)一步印證。在1 500步長之后L10結(jié)構(gòu)漸漸消失，轉(zhuǎn)變成L12結(jié)構(gòu)。且L10結(jié)構(gòu)最大有序度只能達(dá)到0.62，之后就降低，而穩(wěn)定的L12結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更高的有序度。

3 結(jié)語

文章有以下結(jié)論：推導(dǎo)的長程有序參數(shù)公式可以用于L10結(jié)構(gòu)有序度的計(jì)算；模擬的鎳基高溫合金沉淀過程中可以得到預(yù)析出相L10結(jié)構(gòu)；L10結(jié)構(gòu)有序度先增大后減小，且最高有序度較低；L10結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有序度低時(shí)就轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的L12結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王會(huì)陽，安云岐，李承宇，等.鎳基高溫合金材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（18）：482-486.

[2] Pareige C，Blavette D.Simulation of the FCC→FCC+L12+D022 kinetic reaction[J].Scripta Mater，2001（44）：243-247.

[3] Poduri R，Chen L Q.Computer simulation of atomic ordering and compositional clustering in the pseudobinary Ni3Al-Ni3V system[J].Acta Mater，1998，46（5）：1719-1729.

[4] Zapolsky H，Pareige C，Marteau L，et al.Atom probe analyses and numerical calculation of ternary phase diagram in Ni-Al-V system[J].Calphad，2001（25）：125-134.

[5] Dong W P，Wang Y X，Yang K，et al.Phase field simulation of interatomic potentials for double phase competition during early stage precipitation[J].Chinese Sci.Bull，2011（56）：2055-2060.

[6] Dong W P，Chen Z，Wang Y X.Energy studies of precipitation sequence in Ni75Al10Cr15 alloy based on the phase field theory[J].Sci.China Phys.Mech.Astron，2011，54（5）：821-826.

[7] Dong W P，Wang Y X，Chen Z，et al.Ageing process of pre-precipitation phase in Ni0.75Al0.05Fe0.2 alloy based on phase field method[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2011（21）：1105-1111.

[8] Khachaturyan A G.Theory of Structural Transformation in Solids[M].New York：Wiley，1983.

[9] Chen L Q，Khachaturyan A G.Computer simulation of structural transformations during precipitation of an ordered intermetallic phase[J].Acta Metall. Mater，1991（39）：2533-2551.

[10] Wang Y，Chen L Q，Khachaturyan A G.Kinetics of the strain-induced morphological transformation in cubic alloys with miscibility gap[J].Acta Metall. Mater，1993（41）：279-296.

[11] Chen L Q，Simmons J A.Microscopic master equation approach to diffusional transformations in inhomogeneous systems—single-site approximation and direct exchange mechanism[J].Acta Metall.Mater，1994，42（9）：2943-2954.