Co-Cr-Re三元體系FCC相的1 373和1 473 K擴散動力學研究

孫元舟 劉 微 魯曉剛,

(1.上海大學 材料科學與工程學院,上海 200444; 2.上海大學 材料基因組工程研究院,上海 200444)

Co基高溫合金在高溫應用中具有重要價值[1],而Co-Cr-Re三元體系在開發Co基高溫合金中發揮了關鍵作用。該類合金的微觀結構演化在很大程度上取決于擴散,因此擴散動力學是研究并優化其高溫性能的有效方法。了解多組分合金的體擴散過程在凝固、蠕變、均勻化、沉淀、再結晶和沉淀等中的應用很有必要[2-4]。擴散在多組分合金設計中的應用引起了人們的廣泛興趣。計算機模擬能夠觀察復雜材料的組織演變過程。擴散控制相變(DIffusion Controlled TRAnsformation, DICTRA)[5]是一種基于擴散界面和局部平衡假設、模擬多組分系統中擴散控制相變的軟件。DICTRA軟件已成功地利用原子移動性參數數據庫來模擬各種相變過程。但目前基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)框架的相關擴散動力學描述在文獻和商業數據庫中仍然缺失,有關Co-Cr-Re體系FCC相的互擴散系數數據也十分匱乏。

本文制備了8對Co-Cr-Re體系FCC相的擴散偶樣品,通過電子探針測定其成分-距離曲線和擴散通道,利用Whittle-Green方法獲得互擴散系數,結合熱力學數據庫與擴散試驗數據,評估優化得到Co-Cr-Re體系FCC相的原子移動性參數。

1 文獻調研

1.1 Co-Cr體系

Weeton[6]、Davin等[7]、Green等[8]通過試驗測得了Co-Cr體系的互擴散系數。Zhang[9]和Campbell等[10]評估了Cr在FCC-Co中的雜質擴散系數。與Campbell等[10]的結果相比,Zhang[9]的計算結果更好地再現了Weeton[6]的試驗數據。此外,Zhao等[11]對Co-Cr體系進行了全面的評估和優化,并制備了3個溫度下的3對擴散偶,以測定互擴散系數。

1.2 Co-Re體系

Naghavi等[12]利用第一性原理計算了FCC-Co中Re的雜質擴散系數。Shang等[13]通過第一性原理計算了FCC-Re的自擴散系數。2016年,Neumeier等[14]利用擴散偶測得了Co-Re二元體系在1 373、1 473和1 573 K的互擴散系數。2019年,Liu等[15]基于Neumeier等[14]的互擴散系數,對Co-Re二元系進行評估,并給出了其原子移動性參數。2020年,史中文[16]基于Neumeier等[14]的試驗結果對Co-Re二元系進行了優化。2021年,李慧明[17]制備了兩組擴散偶,研究了其1 373與1 473 K的擴散行為,測量并優化了Co-Re體系的互擴散系數。

1.3 Cr-Re體系

Cr-Re體系不存在FCC相,所以沒有相關的試驗數據。

1.4 Co-Cr-Re體系

目前對Co-Cr-Re體系的FCC相擴散動力學的研究還未見報道。

2 擴散動力學建模

(1)

(2)

(3)

3 試驗過程

試驗所用原料為純Re(純度為99.99%)、純Co(99.999%)和純Cr(99.99%)顆粒,通過WK-II型非自耗型真空熔煉爐在氬氣氣氛中進行電弧熔煉。為確保樣品成分的均勻性,每個樣品都翻轉熔煉5次,隨后用電火花線切割將熔煉好的紐扣錠切成4 mm×4 mm×4 mm的塊體。用超聲波清洗樣品后打磨拋光其表面,以去除表面油污和金屬粉末,然后密封在充滿高純度氬氣的石英管中,置于高溫爐中在1 473 K均勻化退火3 d,隨后水淬,進行鑲嵌、打磨和拋光。將樣品按擴散偶成分進行兩兩組合,用夾具將一對樣品固定并夾緊,按照上述步驟再次封入氬氣保護的石英管中,分別在1 373和1 473 K擴散退火21和11 d,隨后水淬,進行鑲嵌、打磨和拋光。最后利用電子探針X射線顯微分析儀(electron probe X-ray microanalyser,EPMA)進行定量分析,測定有效擴散區域的成分變化。

Co-Cr-Re體系擴散偶成分及試驗條件如表1所示。在擴散偶界面處選取長2倍于擴散距離并垂直于界面的線,使用EPMA等距打點40～60個,如圖1所示。

圖1 測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring points

表1 Co-Cr-Re體系擴散偶成分及試驗條件匯總Table 1 Summary of compositions of diffusion couples and experimental conditions of the Co-Cr-Re systems

4 結果與討論

表2 試驗測得的Co-Cr-Re體系FCC相的互擴散系數Table 2 Interdiffusion coefficients of FCC phase of Co-Cr-Re systems measured in the experiment

在優化Co-Cr-Re三元系FCC相的三元原子移動性參數之前,需先確定其Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系的原子移動性參數。

圖2 本文計算得到的主擴散系數與試驗值的對比Fig.2 Calculated main diffusion coefficients compared with experimental data in this work

表3 本文評估的Co-Cr-Re三元系FCC相的原子移動性參數Table 3 Atomic mobility parameters for FCC phase of Co-Cr-Re alloys evaluated in this paper

圖3是本文計算得到的Co-Cr-Re三元體系的成分-距離曲線與試驗數據的對比?？梢娪嬎憬Y果與試驗數據吻合較好,進一步驗證了本文評估得到的原子移動性參數的可靠性。從圖3還可以發現,1 473 K溫度下的成分-距離曲線的擬合度優于1 373 K溫度下的。此外,在相同擴散溫度和時間下,Re元素的擴散距離遠小于Cr元素的擴散距離。圖4為本文計算的1 473 和1 373 K等溫截面上的擴散通道與試驗數據的對比。可見由于Re元素擴散較慢,在擴散通道的部分位置上Re成分保持不變。

圖3 擴散偶成分-距離曲線的計算結果與試驗數據的對比Fig.3 Comparison between calculated composition-versus-distance curves of diffusion couples and experimental data

圖4 本文計算得到的擴散通道與試驗數據的對比Fig.4 Calculated diffusion paths compared with the experimental data in this work

5 結論

在調研并確定Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系原子移動性參數之后,結合已有熱力學數據庫,本文制備了8對三元系Co-Cr-Re擴散偶,測定了該體系中FCC相的成分-距離曲線,利用Whittle-Green方法獲得互擴散系數。結合試驗數據,優化得到了可靠的原子移動性參數,豐富了Co基高溫合金的動力學數據庫。計算得到的Co-Cr-Re三元體系FCC相中的互擴散系數與試驗數據擬合較好,且模擬得到的擴散行為與試驗情況基本一致。