Co-Cr-Re三元体系FCC相的1373和1473 K扩散动力学研究.pdf

第卷第期上海金属，年月，基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（）作 者 简 介：孙 元 舟，男，主 要 从 事基 高 温 合 金 热 力 学 与 扩 散 动 力 学 研 究，：通 信 作 者：鲁 晓 刚，男，教 授，博 士 生 导 师，主 要 从 事 计 算 材 料 学 研 究，：三 元 体 系相 的 和 扩 散 动 力 学 研 究孙 元 舟刘微鲁 晓 刚，（上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院，上 海；上 海 大 学 材 料 基 因 组 工 程 研 究 院，上 海）【摘 要】制 备 了对体 系相 的 扩 散 偶 样 品，采 用 电 子 探 针射 线 显 微 分 析仪 测 量 其 成 分距 离 曲 线，利 用方 法 获 得 互 扩 散 系 数。在 评 估 并 确 定 了 该 体 系 子二 元 系 的 原 子 移 动 性 参 数 后，结 合 热 力 学 数 据 库 与 互 扩 散 系 数 试 验 数 据，评 估 优 化 三 元 系 的 原子 移 动 性 参 数。通 过 对 比 成 分距 离 曲 线、扩 散 通 道 和 主 扩 散 系 数 的 计 算 结 果 与 试 验 数 据，验 证了三 元 体 系 原 子 移 动 性 参 数 的 准 确 性。【关 键 词】方 法，体 系，互 扩 散 系 数，原 子 移 动 性 参 数中 图 分 类 号：文 章 编 号：（），（，；，）【】，【】，基 高 温 合 金 在 高 温 应 用 中 具 有 重 要 价值，而三 元 体 系 在 开 发基 高 温 合 金中 发 挥 了 关 键 作 用。该 类 合 金 的 微 观 结 构 演 化 在很 大 程 度 上 取 决 于 扩 散，因 此 扩 散 动 力 学 是 研 究 并优 化 其 高 温 性 能 的 有 效 方 法。了 解 多 组 分 合 金 的体 扩 散 过 程 在 凝 固、蠕 变、均 匀 化、沉 淀、再 结 晶 和沉 淀 等 中 的 应 用 很 有 必 要。扩 散 在 多 组 分 合 金设 计 中 的 应 用 引 起 了 人 们 的 广 泛 兴 趣。计 算 机 模拟 能 够 观 察 复 杂 材 料 的 组 织 演 变 过 程。扩 散 控 制相变（，上海金属第卷）是 一 种 基 于 扩 散 界 面 和 局 部 平 衡 假 设、模 拟 多 组 分 系 统 中 扩 散 控 制 相 变 的 软 件。软 件 已 成 功 地 利 用 原 子 移 动 性 参 数 数 据 库 来 模 拟各 种 相 变 过 程。但 目 前 基 于（）框 架 的 相 关 扩 散动 力 学 描 述 在 文 献 和 商 业 数 据 库 中 仍 然 缺 失，有 关体 系相 的 互 扩 散 系 数 数 据 也 十 分 匮乏。本 文 制 备 了对体 系相 的 扩散 偶 样 品，通 过 电 子 探 针 测 定 其 成 分距 离 曲 线 和扩 散 通 道，利 用方 法 获 得 互 扩 散 系数，结 合 热 力 学 数 据 库 与 扩 散 试 验 数 据，评 估 优 化得 到体 系相 的 原 子 移 动 性 参 数。文 献 调 研 体 系、等、等通 过 试 验测 得 了 体 系 的 互 扩 散 系 数。和等评 估 了在中 的 杂 质 扩散 系 数。与等的 结 果 相 比，的 计 算 结 果 更 好 地 再 现 了的 试 验 数 据。此 外，等对体 系 进 行 了 全 面 的 评 估和 优 化，并 制 备 了个 温 度 下 的对 扩 散 偶，以 测定 互 扩 散 系 数。体 系等利 用 第 一 性 原 理 计 算 了中的 杂 质 扩 散 系 数。等通 过 第 一性 原 理 计 算 了的 自 扩 散 系 数。年，等利 用 扩 散 偶 测 得 了二 元 体系 在、和 的 互 扩 散 系 数。年，等基 于等的 互 扩 散 系 数，对二 元 系 进 行 评 估，并 给 出 了 其 原 子 移 动性 参 数。年，史 中 文基 于等的 试 验 结 果 对 二 元 系 进 行 了 优 化。年，李 慧 明制 备 了 两 组 扩 散 偶，研 究 了 其 与 的 扩 散 行 为，测 量 并 优 化 了体系 的 互 扩 散 系 数。体 系体 系 不 存 在相，所 以 没 有 相 关 的试 验 数 据。体 系目 前 对体 系 的相 扩 散 动 力 学的 研 究 还 未 见 报 道。扩 散 动 力 学 建 模由?提 出，随 后 由改 进，组 分（、等）的 原 子 移动 性 参 数可 用 激 活 能和 频 率 因 子来 描述，表 达 式 为：()（）式 中：为 磁 效 应 因 子，是 与 成 分 和 温 度 相 关 的函 数，当 对相 原 子 移 动 性 参 数 的 磁 性 贡 献 可被 忽 略 时，；为 气 体 常 数；为 绝 对 温 度，；由 于 引 入 了的 对 数 形 式，还 可 以 表 示 为：()()()（）如 果 ，则 。参 数用多 项 式表 示：，（）（）式 中：是 组 分的 摩 尔 分 数；是 组 元在 由组 元组 成 的 特 定 相 端 际 的 原 子 移 动 性 参 数 的值；，代 表 组 元在 二 组 元、组 成 相 中 的 交互 参 数；代 表 交 互 参 数 的 组 元 数。本 文 没 有 用到 更 高 阶 的 交 互 作 用 参 数。试 验 过 程试 验 所 用 原 料 为 纯（纯 度 为）、纯（）和 纯（）颗 粒，通 过型 非 自 耗 型 真 空 熔 炼 炉 在 氩 气 气 氛 中 进 行 电 弧熔 炼。为 确 保 样 品 成 分 的 均 匀 性，每 个 样 品 都 翻转 熔 炼次，随 后 用 电 火 花 线 切 割 将 熔 炼 好 的 纽扣 锭 切 成 的 块 体。用 超 声波 清 洗 样 品 后 打 磨 抛 光 其 表 面，以 去 除 表 面 油 污和 金 属 粉 末，然 后 密 封 在 充 满 高 纯 度 氩 气 的 石 英管 中，置 于 高 温 炉 中 在 均 匀 化 退 火，随后 水 淬，进 行 镶 嵌、打 磨 和 抛 光。将 样 品 按 扩 散 偶成 分 进 行 两 两 组 合，用 夹 具 将 一 对 样 品 固 定 并 夹紧，按 照 上 述 步 骤 再 次 封 入 氩 气 保 护 的 石 英 管 中，分 别 在 和 扩 散 退 火和，随后 水 淬，进 行 镶 嵌、打 磨 和 抛 光。最 后 利 用 电 子 探针射 线 显 微 分 析 仪（，）进 行 定 量 分 析，测 定 有 效 扩第期孙 元 舟 等：三 元 体 系相 的 和 扩 散 动 力 学 研 究 散 区 域 的 成 分 变 化。体 系 扩 散 偶 成 分 及 试 验 条 件 如 表所 示。在 扩 散 偶 界 面 处 选 取 长倍 于 扩 散 距 离 并垂 直 于 界 面 的 线，使 用等 距 打 点 个，如 图所 示。表 体 系 扩 散 偶 成 分 及 试 验条 件 汇 总 样 品 编 号名 义 成 分（原 子 数 分 数）温 度 时 间 图测 点 示 意 图 结 果 与 讨 论 和 两 个 温 度 下对 扩 散 偶 的扩 散 通 道 覆 盖 了相 内 大 部 分 区 域，利 用测 定 了 各 扩 散 偶 的 成 分距 离 曲 线。利 用 （）方 法 计 算 了 交 叉 点 处个 互 扩 散 系 数，即 主 扩 散 系 数槇、槇和 非 主扩 散 系 数槇、槇，如 表所 示。表试 验 测 得 的体 系相 的 互 扩 散 系 数 温 度 扩 散 偶原 子 数 分 数 槇互 扩 散 系 数（）槇槇槇 在 优 化三 元 系相 的 三 元 原 子移 动 性 参 数 之 前，需 先 确 定 其、和子 二 元 系 的 原 子 移 动 性 参 数。本 文 引 用等的二 元 体 系 原 子移 动 性 参 数。但 由 于体 系 的相 为 非稳 态，试 验 无 法 测 定 其 扩 散 系 数，因 此 分 别 将、等 同 于、，且 不 设 交 互 作 用 参 数。本 文引 用 李 慧 明评 估 的 体 系 原 子 移 动 性参 数。利 用 试 验 测 得 的 互 扩 散 系 数，结 合 已 有 热 力学 数 据 库，对三 元 系相 的 原 子移 动 性 参 数 进 行 优 化，结 果 如 表所 示。将 计 算得 到 的相 在、温 度 下 的 主 扩 散系 数槇、槇与 试 验 数 据 进 行 对 比，如 图所示。图 中，虚 线 代 表 误 差 范 围（），数 据 点 与 对 角 实 线 越 接 近，则 计 算 值 与 试 验 值 越吻 合。由 图可 见，绝 大 部 分 数 据 点 分 布 在 误 差范 围 内，说 明 本 文 计 算 结 果 较 好 地 拟 合 了 试 验 数据。此 外 可 以 发 现，的 扩 散 系 数 明 显 低 于。图是 本 文 计 算 得 到 的三 元 体 系的 成 分距 离 曲 线 与 试 验 数 据 的 对 比。可 见 计 算结 果 与 试 验 数 据 吻 合 较 好，进 一 步 验 证 了 本 文 评估 得 到 的 原 子 移 动 性 参 数 的 可 靠 性。从 图还 可以 发 现，温 度 下 的 成 分距 离 曲 线 的 拟 合度 优 于 温 度 下 的。此 外，在 相 同 扩 散 温度 和 时 间 下，元 素 的 扩 散 距 离 远 小 于元 上海金属第卷表本 文 评 估 的三 元 系相的 原 子 移 动 性 参 数 元 素原 子 移 动 性 参 数取 值（）文 献 （）（）（），本 文 （）（）（），本 文 （）（）本 文 （），本 文素 的 扩 散 距 离。图为 本 文 计 算 的 和 等 温 截 面 上 的 扩 散 通 道 与 试 验 数 据 的 对比。可 见 由 于元 素 扩 散 较 慢，在 扩 散 通 道 的部 分 位 置 上成 分 保 持 不 变。图本 文 计 算 得 到 的 主 扩 散 系 数 与 试 验 值 的 对 比 图扩 散 偶 成 分距 离 曲 线 的 计 算 结 果 与 试 验 数 据 的 对 比 第期孙 元 舟 等：三 元 体 系相 的 和 扩 散 动 力 学 研 究 图本 文 计 算 得 到 的 扩 散 通 道 与 试 验 数 据 的 对 比 结 论在 调 研 并 确 定、和子 二 元 系原 子 移 动 性 参 数 之 后，结 合 已 有 热 力 学 数 据 库，本 文制 备 了对 三 元 系扩 散 偶，测 定 了 该 体 系中相 的 成 分距 离 曲 线，利 用方法 获 得 互 扩 散 系 数。结 合 试 验 数 据，优 化 得 到 了 可靠 的 原 子 移 动 性 参 数，丰 富 了基 高 温 合 金 的 动 力学 数 据 库。计 算 得 到 的三 元 体 系相中 的 互 扩 散 系 数 与 试 验 数 据 拟 合 较 好，且 模 拟 得 到的 扩 散 行 为 与 试 验 情 况 基 本 一 致。参 考 文 献，：，?，（）：，：，（）：，：，：，?，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，（，），：史 中 文（）三 元 系 热 力 学 及 扩 散 动 力学 研 究 上 海：上 海 大 学，李 慧 明（，）三 元 体 系 的 热 力 学 优 化 及 其相 的 扩 散 研 究 上 海：上 海 大 学，?，（）：（下 转 第页）第期高登 等：具 有 优 异 加 工 硬 化 性 能 的 钛 基 非 晶 复 合 材 料 ，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（，），（）：，（），（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，：，：吴 渊，宋 温 丽，周 捷块 体 非 晶 合 金 的 韧 塑 化 物 理 学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：修 回 日 期：櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪（上 接 第页），（）：孙 元 舟（，）体 系 相 图 热 力 学 及 扩 散 动力 学 研 究 上 海：上 海 大 学，：?，（）：，（，），：修 回 日 期：