关键词:
Co基高温合金
Nb-Si基高温合金
动力学数据库
机器学习方法
相场法
摘要:
Ni基高温合金具有优异的组织稳定性、抗氧化性、抗热腐蚀性以及高温力学性能,使其在航空航天、船舶工业等领域应用广泛,但其性能已接近理论极限。为了满足高温合金在应用中不断提升的性能需求,新型Co基与Nb-Si基高温合金的研究已逐步成为该领域的热点。与Ni基高温合金相比,新型Co基与Nb-Si基高温合金在组织稳定性、力学性能以及抗氧化性能上依旧存在不足。基于材料计算方法的合金设计是实现新型Co基与Nb-Si基高温合金性能改进的重要手段,而反映原子扩散行为的扩散动力学数据库则是实现合金设计,研究合金相变机理及微观组织演化规律的重要数据基础。由于基础动力学数据的缺失,现有动力学数据库难以满足合金设计对精度的要求。综上,为了提高动力学数据库的精度,保证合金设计的有效性和可靠性,新型Co基与Nb-Si基高温合金扩散动力学数据库的建立与完善必不可少。
本研究的主要工作为新型Co基和Nb-Si基高温合金扩散动力学数据库的建立与应用,主要的内容及结论如下:
(1)基于扩散理论及相关经验模型,结合文献报道的扩散数据及基本物理特性(包含原子特性、晶胞参数、熔点、弹性常数等)构建了自扩散及杂质扩散激活能的机器学习数据集。采用线性回归模型、基于树的模型等机器学习算法进行建模,通过数据预处理、变量及算法的优化后,筛选得到结构简单且预测性能优异的自扩散及杂质扩散激活能的机器学习预测模型,并分析了模型中不同物理特性对扩散激活能的影响程度。基于该预测模型计算的扩散系数与实验数据之间具有良好的一致性,预测模型的平均绝对值误差小于15 kJ/mol。同时,基于机器学习预测模型计算了元素在稳定与亚稳定固溶体相(BCC、FCC和HCP)中222组自扩散数据和16206组杂质扩散数据,而整个流程(包含数据集的创建、模型的构建及优化、计算结果的输出等步骤)耗时仅需要60天,远低于采用实验方法(约49000天)与第一性原理方法(约680天)所消耗时长。上述结果反映出机器学习方法在计算自扩散与杂质扩散系数时具有高精度、高效率的优势。
(2)基于采用经验模型与机器学习预测模型计算的自扩散与杂质扩散系数,结合文献报道的相关扩散数据,采用DICTRA软件对Co、Ni、Al、Cr、Ti等元素在液相与FCC相中的自扩散与杂质扩散迁移率参数进行了优化。采用分子动力学方法研究了 Co-Ti、Co-Ti-Al、Co-Ti-Cr、Co-Ti-Ni和 Ti-Al-Ni体系在 FCC 相与 L12相中原子的扩散行为,计算了随成分、温度变化的示踪扩散系数。基于上述计算结果,结合文献报道的扩散数据,优化了 Co-Ni-Al-Cr-Ti体系中各二元系、三元系的扩散相互作用参数。综合上述优化结果以及文献报道的动力学参数,建立了Co-Ni-Al-Cr-Ti体系液相、FCC相和L12相的多元扩散动力学数据库。通过对比文献中实验测定的扩散偶的距离-浓度曲线,验证了新型Co基高温合金动力学数据库的可靠性。
(3)基于采用经验模型与机器学习预测模型计算的自扩散与杂质扩散系数,结合文献报道的相关扩散数据,采用DICTRA软件对Nb、Si、Ti、Hf、V等元素在液相与BCC相中的自扩散与杂质扩散迁移率参数进行了优化。采用分子动力学方法和基于扩散偶的实验方法研究了 Nb-Si、Si-V、Hf-V、Nb-Si-Hf、Nb-Si-Ti、Nb-Si-V、Nb-Hf-Ti、Nb-Hf-V、Si-Hf-Ti、Si-Ti-V、Hf-Ti-V 和 Ti-Nb-V 体系在BCC相中原子的扩散行为,计算了随成分、温度变化的示踪扩散系数或互扩散系数。基于上述计算结果,结合文献报道的扩散数据,优化了 Nb-Si-Hf-Ti-V体系中各二元系、三元系的扩散相互作用参数。综合上述优化结果以及文献报道的动力学参数,建立了 Nb-Si-Hf-Ti-V体系液相和BCC相的多元扩散动力学数据库。通过对比文献中实验测定的扩散偶的距离-浓度曲线,验证了 Nb-Si基高温合金动力学数据库的可靠性。
(4)探索了动力学数据库在辅助开发新型Co基与Nb-Si基高温合金中的应用。基于本研究构建的新型Co基与Nb-Si基高温合金动力学数据库,结合相关热力学与物理性能参数,采用Scheil模型、热裂倾向预测模型等物理模型,研究了合金成分、冷却速率对 Co-Ti-X(X:Al,Cr,Ni)与 Nb-Si-X(X:Hf,Ti,V)合金在凝固过程中的裂纹形成倾向的影响。此外,采用多相场模型,对Co-Ti-Ni合金时效过程以及Nb-Si-Hf合金凝固过程中微观组织演化过程进行了数值模拟,研究了合金成分、工艺条件(如冷却速率、时效温度、时效时间等)对微观组织演化过程的影响。基于上述计算结果,为新型Co基及Nb-Si基高温合金的成分设计及工艺优化提供了理论指导,同时体现了扩